(FKZ UM /01) Im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit IG I Berlin

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1 Zusammenfassende Darstellung der Effizienzpotenziale bei Flugzeugen unter besonderer Berücksichtigung der aktuellen Triebwerkstechnik sowie der absehbaren mittelfristigen Entwicklungen (FKZ UM /01) Im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit IG I Berlin Verfasser: Tillmann C. Gmelin Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hüttig Dr.-Ing. Oliver Lehmann Berlin, 25. März 2008

2 SEITE I INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS...I ABBILDUNGSVERZEICHNIS...III TABELLENVERZEICHNIS... V ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS...VI 1 ZUSAMMENFASSUNG EINLEITUNG ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS GRENZWERTE UND RICHTLINIEN ZIELE DER ACARE VISION HEUTIGER STAND DARSTELLUNG DER TREIBSTOFFEFFIZIENZ Einflussparameter der Flugzeugkonfiguration Einflussparameter bei Triebwerken Einfluss des thermischen Wirkungsgrads Einfluss des Vortriebwirkungsgrads Bypassverhältnis Fanwirkungsgrad Weitere Einflussparameter INNOVATIVE ANTRIEBSKONZEPTE Getriebefan Propfan Wärmetauscher EUROPÄISCHE TECHNOLOGIEPROGRAMME ZUR EMISSIONSVERRINGERUNG TRADE-OFF-EFFEKTE BEI DER GESAMTINTEGRATION POTENZIALE DER TREIBSTOFFEFFIZIENZ AUSBLICK AUF DIE GESAMTENTWICKLUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS...54 ANHANG 1 PERSÖNLICHE EXPERTENBEFRAGUNG...58 ANHANG 2 FRAGENLEITFADEN...59 ANHANG 3 EUROPÄISCHE TECHNOLOGIEPROGRAMME...60 ANHANG 4 TECHNOLOGIEBAUM TRIEBWERKSEFFIZIENZ...74 QUELLENVERZEICHNIS...75 INHALTSVERZEICHNIS

3 SEITE II

4 SEITE III ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 3-1: Wachstum des zivilen Luftverkehrs und der CO 2 -Emissionen (Price 2007a)...6 Abb. 3-2: Produkte beim Verbrennungsprozess (IPCC 1999)...7 Abb. 3-3: Verteilung der Emissionen über ein Flugprofil (Donnerhack 2005)...8 Abb. 3-4: Emissionscharakteristik einer konventionellen Brennkammer (Fink 2001)...9 Abb. 4-1: Standard LTO-Zyklus und Emissionsregeln (Donnerhack 2005)...10 Abb. 4-2: CAEP Richtlinien für NO X (Donnerhack 2005)...11 Abb. 5-1: Entwicklung des BPR und SFC (Martens 2007a)...12 Abb. 5-2: Drei Jahrzehnte der Lärmminderung (Smith 2005)...12 Abb. 5-3: Zielsetzungen des Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) bis 2020 (Donnerhack 2005)...13 Abb. 5-4: Anforderungen an zukünftige Triebwerke (Donnerhack 2004)...14 Abb. 6-1: Kraftstoffverbrauch pro 100 Pkm der Lufthansa Flotte (Waibel 2008)...15 Abb. 6-2: Prognose des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs der weltweiten Passagierflugzeuge (Airbus 2007)...16 Abb. 6-3: Kraftstoffverbrauch nach Länge der Flugstrecke (Price 2007a)...16 Abb. 6-4: Entkopplung der Transportleistung von den CO 2 -Emissionen (Waibel 2008)...17 Abb. 7-1: Die Stellschrauben der Treibstoffeffizienzverbesserung am Flugzeug (eigene Darstellung)18 Abb. 7-2: Typische Werkstoffanteile von Flugzeugen im Jahr 2000 und 2020 (Greener by Design 2005)...19 Abb. 7-3: Wesentliche Triebwerkskomponenten (Donnerhack 2004)...21 Abb. 7-4: SFC-Reduzierung durch Wirkungsgradsteigerung (Price 2007a)...22 Abb. 7-5: Thermischer Wirkungsgrad abhängig vom OPR und TET (Birch 2000)...23 Abb. 7-6: Thermischer Wirkungsgrad für verschiedene thermodynamische Zyklen...23 Abb. 7-7: SFC-Reduktion gegenüber OPR im Reiseflug (TET K) zur Referenz konventionellem Kreisprozess (OPR 40)...24 Abb. 7-8: Einfluss des BPR auf den Kraftstoffverbrauch von Flugzeugen (Eury 2005)...25 Abb. 7-9: Vortriebwirkungsgrad und Fandurchmesser in Abhängigkeit vom spezifischen Schub (Plohr et al. 2006)...25 Abb. 7-10: SFC über spezifischem Schub bei zunehmendem Fandruckverhältnis (OPR=40, Tmax =1.600 K, M=0,82, FL350) (Plohr et al. 2006)...26 Abb. 7-11: Steigerung des thermische Wirkungsgrads (links) und Vortriebwirkungsgrads (rechts) (Richter 2007)...27 Abb. 7-12: Theoretische Grenzen der Wirkungsgrade, uninstalliertes Triebwerk (Greener by Design 2005,Copyright Rolls-Royce plc)...28 Abb. 7-13: Zunahme des Blockfuels durch Gewichts- und Widerstandszunahme (Greener by Design 2005,Copyright Rolls-Royce plc)...29 Abb. 7-14: Mittel- und langfristige Anforderungen an Flugzeuge und Triebwerke (Hiller, Ries & Kürner 2006)...30 Abb. 8-1: Getriebefan, Entkopplung der Niederdruckwelle von der NDT (Plohr et al. 2006)...31 Abb. 8-2: Getriebefan-Konfiguration (Donnerhack 2004)...32 Abb. 8-3: Open Rotor (Price 2007a)...33 Abb. 8-4: Counter Rotating Turbofan (Price 2007a)...33 Abb. 8-5: Wirkungsgrade von Open-Rotor-Konzepten (Greener by Design 2005)...34 Abb. 8-6: Vorteil des Open-Rotor-Konzepts liegt bei Kurzstreckenflügen (Price 2007a)...34 Abb. 8-7: IRA Konfiguration mit 3-Wellen-Architektur und GTF des CLEAN Demonstrators (Donnerhack 2004)...36 Abb. 8-8: IRA-Konzeption (Donnerhack 2005)...37 Abb. 8-9: Triebwerkseffizienz (Boggia & Rüd 2004)...37 Abb. 9-1: Technische Roadmap für innovative Triebwerkskonzepte (Newac 2007b)...39 Abb. 9-2: Einsatz neuer Technologien zur Reduzierung der CO 2 -Emissionen (Arndt 2007)...40 Abb. 9-3: Interaktion europäischer Forschungsprogramme zur Reduzierung der CO 2 Emissionen (Smith 2005)...41 Abb. 9-4: Formulierte Zielsetzung der Technologieprogramme (Referenz TRENT 7000, CFM56)...42 Abb. 9-5: Laufzeit einiger Technologieprogramme...43 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

5 SEITE IV Abb. 10-1: Lokale und globale Trade-Off-Effekte (Smith 2005)...44 Abb. 10-2: Trade-Offs für CO 2, NO X (LTO) und Lärm (ICAO 2007b)...45 Abb. 10-3: Trade-Off-Effekte bei der Auslegung von Triebwerken (Smith 2005)...46 Abb. 11-1: Theoretische Minimum des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Reiseflug (Plohr et al. 2006)...48 Abb. 11-2: Potenziale neuer Triebwerkskonzepte (Boggia & Rüd 2004, p. 9)...49 Abb. 11-3: SFC im Reiseflug von GTF (GF) und CRTF-Triebwerken (CR) (FL350, M=0,82) (Hemmer et al. 2007)...50 Abb. 11-4: SFC von UHB-Triebwerken während Reiseflugbedingungen (FL350, M=0,82) (Plohr et al. 2006)...51 Abb. 11-5: SFC von IRA (IC/R) während Reiseflugbedingungen (Plohr et al. 2006)...51 Abb. 11-6: Gesamtkraftstoffbedarf (Fuel Burn) auf km (3.250 NM) Einsatzprofil (Hemmer et al. 2007)...52 Abb. 11-7: Gesamtkraftstoffbedarf (Fuel Burn) bei km Einsatzprofil pro 100 Pkm (Hemmer et al. 2007)...52 Abb. 11-8: Gesamtkraftstoffbedarf pro 100 Pkm verschiedener Einsatzprofile (Plohr et al. 2006)...53 Abb. 12-1: UK Forecast für CO 2 von 2005 bis 2050 (Department for Transport 2007)...55 Abb. 12-2: Kurz- und mittelfristige Entwicklung des Luftverkehrs und des Gesamtkraftstoffverbrauchs (Wrede 2007)...56 Abb. 12-3: Hypothetische Entwicklung des Gesamtkraftstoffverbrauchs mit und ohne Technologieentwicklung (eigene Darstellung)...57 Abb. 12-1: EEFAE mit ANTLE und CLEAN (CLEAN 2005)...60 Abb. 12-2: Die Ziele von EEFAE (CLEAN 2005)...60 Abb. 12-3: Projektpartner CLEAN mit IRA Konzept (CLEAN 2005)...62 Abb. 12-4: NEWAC-Ziele für C02 Reduzierung (Newac 2007a)...64 Abb. 12-5: Ausblick NEWAC (Donnerhack 2005)...65 Abb. 12-6: Drei Fankonzepte von VITAL (VITAL 2005)...67 Abb. 12-7: Drei-Stufen-Programm CLAIRE (Martens 2007b)...70 Abb. 12-8: CLAIRE erste Stufe, Getriebefan (Martens 2007b)...71 Abb. 12-9: CLAIRE, zweite Stufe, Counter-Rotating Integrated Shrouded Propfan (Martens 2007b).71 Abb : CLAIRE, dritte Stufe, Wärmetauscher-Propfan (Martens 2007b)...71 Abb : Rolls-Royces Technologieprogramm Vision (Price 2007a)...73 Abb. 12-1: Technologiebaum Triebwerkseffizienz (ACARE 2002)...74 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

6 SEITE V TABELLENVERZEICHNIS Tab. 3-1: Verweilzeit verschiedener Emissionen/Effekte in der Tropopause (Greener by Design 2005)...7 Tab. 3-2: Masse und Auswirkungen der Verbrennungsprodukte von 1 kg Kerosin (Peitsch 2007)...7 Tab. 6-1 Flugzeugmuster und Triebwerkmodelle (Engine Yearbook 2006; Jane 2002, 2007)...17 Tab. 7-1: Schadstoffreduzierende Maßnahmen (Peitsch 2007) (mit eigener Ergänzung)...20 Tab. 10-1: Potenziale und Trade-Off-Effekte durch Lärmminderungsmaßnahmen (VCD 2003)...46 Tab. 11-1: Basisdaten für Referenztriebwerk, GTF, CRTF (Hemmer et al. 2007)...49 Tab. 11-2: Basisdaten für Referenztriebwerk, UHB und IRA (ICR) (Plohr et al. 2006)...50 Tab. 12-1: Jährliche Treibstoffeffizienzverbesserung (Department for Transport 2007)...54 Tab. 12-1: Zielsetzung von ANTLE...61 Tab. 12-2: Zielsetzung von CLEAN...63 Tab. 12-3: Zielsetzung von NEWAC...65 Tab. 12-4: Zielsetzung von VITAL...66 Tab. 12-5: Zielsetzung von Clean Sky...69 Tab. 12-6: Zielsetzung von CLAIRE...72 TABELLENVERZEICHNIS

7 SEITE VI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS Akronyme ACARE Advisory Council for Aeronautics Research in Europe ADP Advanced Ducted Propfan Triebwerk mit sehr hohem BPR AFC Active Flow Control Aktive Strömungskontrolle ANTLE Affordable Near Term Low Emission Engine APU Auxiliary Power Unit Hilfsgasturbine ATE Aerospace Technology Enterprise ATFI Advanced turbofan integrator Demoprogramm für GTF ATM Air Traffic Management Luftverkehrkontrolle BMU Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BPR Bypass Ratio Nebenstromverhältnis CAEP Committee on Aviation Environmental Protection Internationale Kommission für Umweltschutz und Luftverkehr CLAIR Clean Air Engine CLEAN Component Validator for Environmental Friendly Aero Engine CO Carbon Monoxide Kohlenmonoxid CO 2 Carbon Dioxide Kohlendioxid CRISP Counter Rotating Integrated Shrouded gegenläufig drehender ummantelter Propfan Turbofan CRTF Counter Rotating Turbofan gegenläufig drehender Turbofan DAC Double Annular Combustor Brennkammer für low-no X -Emissionen DDTF Direct Drive Turbofan direkt antriebener Turbofan DLR German Aerospace Centre Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. DOC Direct Operating Cost Direkte Betriebskosten EEFAE Efficient and Environmentally Friendly Aero Engine EI Emission Index Emissionsindex EINO x NO X emission index NO X -Emissionsindex EIS Entry Into Service Markteinführung EPNdB Effective Perceived Noise in Decibels Einzelereignispegel FL Flight Level Barometrische Höhe auf Basis des Standardluftdrucks von hpa in Meereshöhe, angegeben in 100 ft. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

8 SEITE VII FP Framework Programme Forschungsrahmenprogramm FPR Fan Pressure Ratio Fandruckverhältnis GTF Geared Turbofan Getriebefan GWP Global Warming Potential HEX Recuperator Wärmerückführer HLFC Hybrid Laminar Flow Control Hybrid Laminar Kontrolle HLFC Hybrid Laminar Flow Control Laminare Strömungskontrolle HP High Pressure Hochdruck HPC High Pressure Compressor Hochdruckverdichter IC Inter Cooler Zwischenkühler ICAO International Civil Aviation Organisation Internationale Zivilluftfahrt-Organisation IP Intermediate Pressure Mitteldrucksystem IPC Intermediate Pressure Compressor Mitteldruckverdichter IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change IRA Inter-Cooled Recuperative Aero Engine Wärmetauschertriebwerk Cycle JTI Joint Technology Initiative Technologieverbund LP Low Pressure Niederdrucksystem LPC Low Pressure Compressor Niederdruckverdichter LPP Lean Premixed Prevaporized Magervormischbrenner mit vollständiger Vorverdampfung LTO Landing and Take-Off Cycle Start- und Landezyklus MDT Intermediate Pressure Turbine Mitteldruckturbine MDV Intermediate Pressure Compressor Mitteldruckverdichter NDT Low Pressure Turbine Niederdruckturbine NDV Low Pressure Compressor Niederdruckverdichter NEWAC New Aero Engine Concepts Friendly Aero Engine NM Nautical Miles Nautische Meilen (1 NM = m) NO X Oxides Of Nitrogen, NO and NO2 Summe der Stickoxidemissionen OPR Overall Pressure Ratio Gesamtdruckverhältnis Pkm Passenger Kilometre Passagierkilometer REC Recuperator Wärmerückführer RF Radiative Forcing Strahlungsantrieb RPK Revenue Passenger Kilometre Verkaufte Passagierkilometer RQL Rich Burn Quick Quench-Lean Burn Fett-Mager-Verbrennung SESAR Single European Sky ATM Research SFC Specific Fuel Consumption Spezifischer Kraftstoffverbrauch ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

9 SEITE VIII SILENCER Significantly Lower Community Exposure to Aircraft Noise SKM Seat Kilometre Sitzkilometer SN Smoke Number Rauchzahl SRA Strategic Research Agenda TET Turbine Entry Temperature Turbineneintrittstemperatur TRL Technology Readiness Levels Technologie-Reifegrad UHB Ultra High Bypass Triebwerk mit hohem BPR UHC Unburned Hydrocarbons unverbrannte Kohlenwasserstoffe VITAL Environmentally Friendly Aero Engine Symbole D Drag Widerstand DP/F TO Ratio of Total Emissions During Landing and Take-Off Cycle To Maximum Takeoff Thrust g Gravitational Acceleration Erdbeschleunigung H Calorific Value spezifischer Heizwert K Kelvin Kelvin L Lift Auftrieb L/D Lift To Drag Ratio Gleitzahl M Mach Number Machzahl m Core Core Mass Flow Kernmassenstrom m BP Bypass Mass Flow Nebenmassenstrom R Range Reichweite T 0 Total Temperature Gesamttemperatur T/O Takeoff Startvorgang V Flight Speed Fluggeschwindigkeit W Aircraft Takeoff Weight Flugzeugabflugmasse η ges Overall Efficiency Gesamtwirkungsgrad η Thermal Efficiency Thermischer Wirkungsgrad th η Propulsive Efficiency Vortriebswirkungsgrad prop ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

10 SEITE 1 1 ZUSAMMENFASSUNG Für die Darstellung der kurz- und mittelfristigen Entwicklung der Treibstoffeffizienz im Luftverkehr werden in diesem Dokument zukünftige technische Konzepte charakterisiert sowie ihre Einflüsse auf die Effizienz von Luftfahrzeugen dargestellt. Es wird erläutert, wie sich verschiedene Maßnahmen gegenseitig beeinflussen und an welchen Stellen beim derzeitigen Technologiestand Zielkonflikte (Trade-Offs) entstehen. Darüber hinaus werden zukünftige Triebwerkstechnologien beschrieben und deren Effizienzpotenziale hinsichtlich Reduzierung von Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemissionen und Lärm ausgewiesen. Der zivile Luftverkehr wächst derzeit weltweit mit ca. 4,9 Prozent jährlich. Die Frequentierung bestehender Flugstrecken könnte sich somit bis 2026 mehr als verdoppeln. Durch diesen Zuwachs steigt auch die Menge der durch den Luftverkehr verursachten Schadstoffemissionen. Um diesen Anstieg zumindest teilweise zu kompensieren, muss verstärkt in neue Technologien investiert werden. Um hierfür einen offiziellen Rahmen zu schaffen, ist das Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) eine Selbstverpflichtung mit dem Ziel eingegangen, unter anderem die spezifischen CO 2 -Emissionen gegenüber dem Jahr 2000 bis zum Jahr 2020 von neuen Flugzeugen zu halbieren (inklusive ATM-Maßnahmen). (vgl. Kap. 3 bis 5). Solange der zivile Luftverkehr weiter wächst, sind die CO 2 -Emissionen jedoch nur schwer zu verringern, da diese direkt vom Kraftstoffverbrauch abhängen. Kondensstreifen und Cirrenbildung können gegebenenfalls durch Maßnahmen in der Luftverkehrsführung verringert werden. NO X -Emissionen im Reiseflug können durch eine Kombination neuer Brennkammertechnologien sowie einer Optimierung des gesamten Triebwerks reduziert werden. Allerdings könnten solche Maßnahmen wiederum den Gesamtkraftstoffverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen sowie die Betriebskosten eines Luftfahrzeugs erhöhen (vgl. Kap. 10). Die weltweite Flotte ziviler Luftfahrzeuge erreicht heute einen durchschnittlichen Gesamtkraftstoffverbrauch von 4,8 Liter pro 100 Passagierkilometer (Pkm). Beinahe die Hälfte des gesamten Flugtreibstoffs wird bei Flügen auf einer Strecke von weniger als NM (ca km) verbraucht. Einen besonders großen Anteil am Gesamtverbrauch haben Flüge mit einer Flugstrecke zwischen 500 und 800 NM (ca. 900 bis km). Dieser Bereich kennzeichnet den Markt der Kurzstreckenflugzeuge (Single-Aisle Market). Er wird bis 2026 das stärkste Wachstum aufweisen (vgl. Kap. 4). Um Luftfahrzeuge und deren Betrieb zukünftig effizienter zu gestalten, wird an verschiedenen Maßnahmen zur Optimierung unter anderem in den Bereichen Triebwerk, Flugzeugzelle, Flugzeugaerodynamik, Werkstofftechnik sowie an effizienten Flugbetriebsverfahren gearbeitet. Neben dem spezifischen Kraftstoffverbrauch (SFC) und der Aerodynamik, ist das Strukturgewicht für eine Verbrauchsreduzierung entscheidend. Der Anteil an Faserverbundwerkstoffen in Luftfahrzeugen wird von ca. 15 Prozent im Jahr 2000 auf prognostizierte 65 Prozent im Jahr 2020 wachsen. 20 Prozent des Gewichts herkömmlicher Aluminiumstrukturen könnte durch Kohlefaserverbundwerkstoffe eingespart werden. Der Kraftstoffverbrauch von Langstreckenflugzeugen könnte dadurch um ungefähr 15 Prozent und von Mittelstreckenflugzeugen um etwa 10 Prozent reduziert werden. Die ACARE- Zielsetzungen sehen für die Flugzeugzelle insgesamt eine Reduzierung um 20 bis 25 Prozent vor. Um den SFC von Triebwerken weiter zu verringern, muss deren Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Hier stehen vor allem solche Methoden im Vordergrund, die den Vortriebwirkungsgrad steigern, indem das Fandruckverhältnis (FPR) verringert und das Bypassverhältnis (BPR) vergrößert wird. Der thermische Wirkungsgrad kann durch erhöhte Komponentenwirkungsgrade, durch Änderungen der Kreisprozessgrößen oder durch die Anwendung effizienterer Kreisprozesse gesteigert werden. Der SFC könnte hierdurch um ungefähr 30 Prozent reduziert werden, bevor die theoretisch-physikalischen Grenzen erreicht werden (vgl. Kap. 7). Moderne Triebwerke erreichen heute einen Vortriebwirkungsgrad von etwa 70 bis 80 Prozent. Die Grenze für den Vortriebswirkungsgrad, die derzeit durch einen Propfanantrieb (Open Rotor) repräsentiert wird, liegt bei 92,5 Prozent. Das optimale BPR für ummantelte Turbofantriebwerke hinsichtlich geringen Kraftstoffverbrauchs liegt heute bei etwa 8 bis 9. Das BPR könnte bis zum Jahr 2012 auf 10 bis 12 gesteigert werden. ZUSAMMENFASSUNG

11 SEITE 2 Für ummantelte Triebwerke erzielt ein FPR kleiner 1,3 keine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Der Vortriebswirkungsgrad erreicht bei einem FPR von 1,3 einen Wert von ungefähr 87 Prozent. Der Durchmesser des Triebwerks vergrößert sich dabei um 30 bis 40 Prozent. Für Konzepte mit offenen Rotoren werden allerdings Fandruckverhältnisse von unter 1,3 angestrebt. Die Obergrenze für den thermischen Wirkungsgrad beträgt derzeit 62 Prozent. Dies könnte technisch durch den Einsatz von hochfesten Keramikwerkstoffen erreicht werden. Maximale thermische Wirkungsgrade liegen heute in einem Bereich von maximal 50 Prozent. Daraus resultiert zukünftig ein geschätztes Verbesserungspotenzial von ungefähr 12 Prozent, wenn entsprechende Werkstoffe verfügbar sind. Der SFC des idealen Joule-Kreisprozesses mit einem Vortriebswirkungsgrad von 75 Prozent beträgt im Reiseflug (bei M=0,82, FL350) ungefähr 11 g/kn/s. Das hochmoderne General Electrics Triebwerk GEnx besitzt ein SFC von ungefähr 15 g/kn/s bei gleichem Schub im Reiseflug. Daraus resultiert ein Potenzial zwischen dem idealen und dem derzeit realisierten Kreisprozess von knapp 27 Prozent (vgl. Kap. 11). Maßnahmen, die den Vortriebswirkungsgrad erhöhen können darüber hinaus helfen den Triebwerkslärm zu reduzieren, indem die Strahlgeschwindigkeit reduziert wird. Triebwerke mit Getriebefan (GTF) könnten den SFC um bis zu 10 Prozent senken. Die GTF-Technologie ist Untersuchungsgegenstand des laufenden Technologieprogramms VITAL, welches bis 2010 aufgesetzt ist. Propfanantriebe (offene Rotoren) könnten den SFC um 15 bis 20 Prozent reduzieren. Konzepte für Propfanantriebe besitzen allerdings den Nachteil, dass sie deutlich mehr Lärm erzeugen als ummantelte Triebwerke. Das Technologieprogramm DREAM wird bis 2011 Maßnahmen untersuchen, die vor allem den Lärm von Propfanantrieben reduzieren können. Die Maßnahmen zur Integration des offenen Propfans könnten durch ein insgesamt höheres Gewicht den theoretischen Vorteil des geringeren Kraftstoffverbrauchs auf nur 5 Prozent reduzieren. Der CRTF-Propfan (Counter-Rotating Turbofan) und der GTF besitzen mittelfristig ein hohes Potenzial den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken, allerdings auf Kosten eines höheren Triebwerksgewichts. Alternative Kreisprozesszyklen, vor allem mit Wärmetauscher (IRA), besitzen wahrscheinlich erst nach dem Jahr 2020 ein großes Potenzial, den SFC um 16 bis 20 Prozent zu senken. Im Vergleich zu konventionellen Kreisprozessen besitzt der IRA-Zyklus sehr hohe thermodynamische Wirkungsgrade bei Gesamtdruckverhältnissen kleiner als 30. Das niedrige Gesamtdruckverhältnis könnte die NO X -Emissionen und das Gewicht des Kerntriebwerks reduzieren. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass solche Triebwerke technisch eine hohe Komplexität und eine Gewichtszunahme von 18 bis 24 Prozent aufweisen. Die Gewichtszunahme lässt sich allerdings durch den Einsatz der VITAL-Technologie voraussichtlich auf 5 bis 10 Prozent beschränken (vgl. Kap. 8). Die in den verschiedenen europäischen Technologieprogrammen definieren Ziele, werden in technischen Roadmaps zusammengefasst. In den jeweiligen europäischen Forschungsrahmenvorhaben werden einzelne Technologien dann auf einen Reifegrad gebracht, der die Verwendung z.b. in Triebwerksdemonstratoren zulässt. Ein großes gemeinsames Technologievorhaben (JTI) ist Clean Sky, welches bis 2014 innovative Technologien hierfür auf den notwendigen Reifegrad anheben soll (vgl. Kap. 9). Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik e.v. (DLR) wurden bereits Simulationen von Triebwerken mit besonders hohen BPR (Ultra High Bypass, UHB) durchgeführt und mit einem Referenztriebwerk, Technologiestand des Jahres 2000, verglichen. Diese Simulationen haben eine Reduzierung des SFC von GTF-Triebwerken von 16,1 g/kn/s (Referenztriebwerk) auf etwa 14 g/kn/s im Reiseflug (FL350, M=0,82) sowie von einem CRTF auf etwa 13,4 g/kn/s ergeben. Der relative SFC Vorteil von UHB Triebwerken ist dabei stark vom Betriebspunkt des Triebwerks abhängig. Während beim Takeoff das SFC im Vergleich zum Referenztriebwerk um 25 bis 45 Prozent verringert wird, beträgt die Reduzierung im Reiseflug nur noch 11,5 bis 14,5 Prozent Ein IRA-Triebwerk könnte den SFC gegenüber dem UHB-Triebwerk nochmals senken. Im Vergleich zum Referenztriebwerk beträgt hier das maximale Potenzial im Reiseflug 16,7 Prozent mit einem SFC von weniger als 13 g/kn/s.. Die verbesserten Gesamtwirkungsgrade konnten den Gesamtkraftstoffverbrauch der verschiedenen UHB-Triebwerke auf einem km (3.250 NM) Einsatzprofil um 14 bis 17 Prozent reduzieren. Obwohl die Triebwerke mit einem FPR von 1,2 gegenüber denen mit einem FPR von 1,3 einen geringeren SFC ausweisen, liegt der Gesamtkraftstoffverbrauch bei einem FPR von 1,3 aufgrund des geringeren Widerstands niedriger. Da das höhere Gewicht der UHB-Triebwerke die Nutzlastkapazität (Payload) des Flugzeugs beeinflusst, ist die Betrachtung je Pkm aufschlussreich. Die CRTF-Konzepte besitzen einen geringen Vorteil gegenüber den Getriebefans, da sie weniger Widerstand und höhere ZUSAMMENFASSUNG

12 SEITE 3 Fanwirkungsgrade erzeugen. So könnte der Kraftstoffverbrauch je 100 Pkm um 12 Prozent (GTF) auf knapp 1,6 kg Kerosin je 100 Pkm bzw. um 15 Prozent (CRTF) auf unter 1,55 kg pro 100 Pkm verringert werden. Insgesamt kann jedoch festgestellt werden, dass keines der betrachteten Triebwerke in der Simulation die ACARE-Ziele für Triebwerke (20 Prozent SFC-Reduktion) erreichen konnte. Das effizienteste Triebwerk könnte den Kraftstoffverbrauch um 14 bis 16 Prozent reduzieren, was einem Treibstoffverbrauch von etwa 1,68 kg je 100 Pkm entspricht. Eine Modifikation der Flugzeugkonfiguration könnte zusätzlich eine Reduzierung von knapp 23,5 Prozent bei einem Einsatzprofil von km (3.249 NM) bewirken. Bei dieser Annahme wurden ca. 12 Prozent Strukturgewicht und ca. 12 Prozent Luftwiderstand durch geeignete Maßnahmen gegenüber dem Referenzflugzeug reduziert (vgl. Kap.11). Aus Sicht der Trade-Off-Problematik ist eine gemeinsame Erreichung der drei wichtigsten ACARE Umweltziele bis 2020 bisher noch nicht realistisch, ohne dabei Effekte hinsichtlich einer Erhöhung des Gesamtgewichts zu erzeugen. Ein offener Propfan besitzt großes Potenzial, das CO 2 -Ziel (20 Prozent CO 2 -Reduktion von Triebwerken) bis 2020 zu erreichen. Jedoch ist dieses Konzept durch erhöhte Lärmemissionen gekennzeichnet und verfehlt deshalb das Ziel hinsichtlich Lärmreduzierung. Fortschrittliche, ummantelte Turbofantriebwerke besitzen demgegenüber zukünftig ein höheres Potenzial zur Lärmreduzierung. Dies muss allerdings durch ein höheres Gewicht und einen höheren Kraftstoffverbrauch im Reiseflug erkauft werden. Aus heutiger Sicht lassen sich die Lärmziele mit reinen technischen Maßnahmen an dieser Stelle nicht erfüllt werden. Der Trade-Off für das Gesamtsystem Flugzeug und Triebwerk kann frühestens ab 2010 durch das Clean Sky JTI genauer vorhergesagt werden. Darin werden potenzielle Lösungen für die verschiedenen Trade-Offs evaluiert (Clean Sky Evaluator). (vgl. Kap. 10). Kurzfristig legt die heute vorhandene weltweite Flotte ziviler Luftfahrzeuge den Standard des Gesamtkraftstoffverbrauchs und der CO 2 -Emissionen fest. Kurz- und mittelfristig werden die Flugzeugmodelle A380, B787 (EIS 2008), B (2009) und A350-XWB (2012) mit den modernen Triebwerke TRENT 900, GP7000, GEnx bzw. TRENT XWB den aktuellen Technologiestandard definieren. Mittelfristig (ab ungefähr dem Jahr 2017) werden effizientere Flugzeugmodelle als Nachfolger des A320 und der B737 erwartet. Diese Modelle können demzufolge kurz- und mittelfristig wenig Einfluss auf den Gesamtkraftstoffverbrauch ausüben. Airbus prognostiziert eine Zunahme des Gesamtkraftstoffverbrauchs der weltweiten Flotte um etwa 15 Prozent bis Jahr 2010, 30 Prozent bis 2015 und 50 Prozent bis 2020 (Basisjahr ist 2005). Dies ist allerdings nur möglich, wenn die CO 2 - Emissionen nur um knapp 3 Prozent pro Jahr zunehmen. Andere Prognosen gehen von einer deutlich höheren Zunahme aus. Langfristig werden die Ziele der ACARE den Standard definieren, um die weltweite Flotte in den Jahren nach 2020 nachhaltig zu modernisieren. Ab 2050 könnte die weltweite Flotte dann komplett aus ACARE-konformen Luftfahrzeugen bestehen (vgl. Kap. 12). Das System des Luftverkehrs muss auch durch Maßnahmen im Bereich des Air Traffic Managements (ATM) optimiert werden. Eine harmonisierte Flugsicherung und Luftraumgestaltung in Europa, wie im Programm SESAR verfolgt, könnte die CO 2 -Emissionen im europäischen Luftverkehr um ca. 8 bis 12 Prozent reduzieren. Neue operationelle Verfahren, vor allem im Flughafennahbereich, können Emissionen insgesamt verringern, da sie auf einen Großteil der weltweit bestehenden Flotte ziviler Luftfahrzeuge angewendet werden können. Hierzu zählen u.a. kooperative Ansätze, durch die beispielsweise Warteverfahren in der Luft (Holdings) vermieden bzw. reduziert werden können. Zusätzlich können gezielte Retrofit-Maßnahmen für im Einsatz befindliche Luftfahrzeuge dazu beitragen, die Emissionen zu verringern. Wie schnell verfügbare Technologien bereitgestellt werden können, liegt unter anderem an den Prioritäten und an den verfügbaren finanziellen Mitteln für Forschung und Entwicklung in den nächsten Jahren. Neue Erkenntnisse können sich vor allem durch die Clean Sky JTI bis 2014 ergeben. Es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass eine ausreichende Technologiereife erst in einem weiterem JTI nach Clean Sky erzielt werden kann. ZUSAMMENFASSUNG

13 SEITE 4 2 EINLEITUNG Heute werden in Flugzeugen Passagiere und Fracht schnell, effizient und sicher von einem Ort der Welt zum andern gebracht. Das Reisen mit dem Flugzeug ist heute ein elementarer Teil unserer Wirtschaft und unseres Lebens geworden. Der zivile Luftverkehr wächst derzeit weltweit mit ca. 4,9 Prozent jährlich (Airbus 2007). Die Frequentierung bestehender Flugstrecken könnte sich somit bis 2026 mehr als verdoppeln. Das starke Wachstum dieser Branche bringt jedoch auch eine zunehmende Verantwortung mit sich, denn durch diesen Zuwachs steigt auch die Menge der durch den Luftverkehr verursachten Schadstoffemissionen (IPCC 2007b). Um diesen Anstieg zumindest teilweise zu kompensieren, muss weiter in neue Technologien investiert werden. Im Vordergrund steht dabei die Reduzierung der CO 2 -Emissionen, da beim Verbrennen des Flugkraftstoffes Kerosin zwangsläufig CO 2 entsteht. Durch das Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) wurden bereits Ziele zur Emissionsverringerung bis zum Jahr 2020 formuliert. Aufgrund der steigenden CO 2 -Emissionen ist es notwendig, den Kraftstoffverbrauch insgesamt zu reduzieren. Hierfür ist jedoch eine Betrachtung des Gesamtsystems Triebwerk, Flugzeug und Flugaufgabe notwendig. Alle drei Bereiche haben Einfluss auf den Gesamtkraftstoffverbrauch. Die Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von Triebwerken kann wesentlich dazu beitragen, die E- missionen zu verringern. Um den Wirkungsgrad von Triebwerken weiter zu verbessern und den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken, ist die Entwicklung effizienter Technologien erforderlich. Die Darstellung der Effizienzentwicklung sowie der vorhanden Potenziale, bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass nicht alle Maßnahmen, die den spezifischen Kraftstoffverbrauch von Triebwerken reduzieren, auch den Gesamtkraftstoffverbrauch eines Luftfahrzeugs verringern. Dies gilt z.b. für das Bypassverhältnis von Turbofantriebwerken. Für die Darstellung der kurz- und mittelfristigen Entwicklung der Treibstoffeffizienz des Luftverkehrs, werden verschiedene zukünftige Technologien erläutert und hinsichtlich ihrer Effizienzpotenziale untersucht. Dabei beeinflussen sich viele Faktoren gegenseitig, sodass Zielkonflikte, sogenannte Trade-Offs, berücksichtigt werden müssen. Um die zukünftigen Auswirkungen neuer und effizienter Technologien auf den weltweiten Gesamtkraftstoffverbrauch ziviler Luftfahrzeuge darzustellen, muss die Treibstoffeffizienz in einer Flottenbetrachtung erfolgen. EINLEITUNG

14 SEITE 5 3 ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVER- KEHRS Seit dem Jahr 2000 ist der weltweite zivile Luftverkehr um nahezu 30 Prozent gewachsen. Allein das Jahr 2004 hatte eine Wachstumsrate von 14 Prozent und war damit das Jahr mit dem größten Wachstum der vergangenen 25 Jahre. Prognosen des Flugzeugherstellers Airbus gehen davon aus, dass das weltweite Passagieraufkommen im zivilen Luftverkehr bis zum Jahr 2026 um 4,9 Prozent pro Jahr zunehmen wird. Zudem erwartet Airbus, dass sich die Zahl der eingesetzten Passagierflugzeuge sowie die Frequentierung der bestehenden Flugrouten bis 2026 mehr als verdoppelt (Airbus 2006, 2007). Auch andere Flugzeughersteller erstellen ähnliche Prognosen. Boeing geht für die Jahre 2006 bis 2026 von einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum des Passagieraufkommens von 4,5 Prozent und einer Zunahme des zivilen Luftverkehrs (verkaufte Passagierkilometer, RPK) von 5 Prozent aus (Boeing 2007). Für den asiatisch-pazifischen Markt wird dabei das größte Wachstum prognostiziert, gefolgt von Nordamerika. Der Markt für Kurzstreckenflugzeuge wird dabei der am stärksten wachsende Markt sein und nach Schätzungen in den nächsten 20 Jahren um 62 Prozent wachsen (Airbus 2006, 2007). In den letzten Jahren ist der Rohölpreis stetig gestiegen. Wegen zunehmender Sicherheitsrisiken in den Öl produzierenden Regionen und durch den wachsenden Rohölbedarf der sich schnell entwickelnden Länder wie Indien und China, könnten die Preise für Rohöl weiter zunehmen. Die auch psychologisch wichtige Grenze von 100 USD pro Barrel wurde bereits Januar 2008 überschritten. Da der Preis von Flugtreibstoff (Kerosin) direkt an den Preis von Rohöl gekoppelt ist, sind auch die Preise für Kerosin kontinuierlich gestiegen. Flugtreibstoffe betragen derzeit bis zu 36 Prozent der gesamten operativen Betriebskosten. Aus diesem Grund sehen sich Luftfahrtgesellschaften zunehmend stärker veranlasst, den Treibstoffverbrauch ihrer Flotte zu reduzieren. Die Höhe des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (Specific Fuel Consumption, SFC) eines Triebwerks gibt Auskunft über die Wirtschaftlichkeit eines Antriebsystems. Durch die Verbindung des SFC sowohl zu den direkten Betriebskosten als auch zu den CO 2 -Emissionen eines Luftfahrzeugs besteht somit ein wirtschaftliches und auch ein ökologisches Interesse Maßnahmen zu ergreifen, die eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ermöglichen. In den letzten 30 Jahren gewann die Berücksichtigung der Umweltwirkungen der zivilen Luftfahrt zunehmend an Bedeutung. Dies hat sich bereits durch das Inkrafttreten von nationalen und internationalen Verordnungen für Fluglärm und Schadstoffemissionen an Flughäfen (z.b. Landeentgelte in Schweden, Schweiz, Großbritannien und Deutschland) geäußert. In den nächsten Jahren wird das Regelwerk für Luftverkehrsemissionen fortgeschrieben. Nicht zuletzt nach dem vom Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC) veröffentlichten Bericht Aviation and the Global Atmosphere (IPCC 1999) wird deutlich, dass sich die Aufmerksamkeit zunehmend auch auf die Emissionen konzentriert, die während des Reiseflugs erzeugt werden und nicht nur während der Start- und Landephase. In der typischen Reisflughöhe ist der Luftverkehr der einzige direkte Emittent von Luftschadstoffen (Birch 2000, p. 32). Der CO 2 -Anteil des weltweiten Luftverkehrs wird laut Bericht des IPCC mit 2 bis 3 Prozent abgeschätzt (IPCC 2007a). Dem etwa 5-prozentigen Wachstum des Luftverkehrs pro Jahr steht eine etwa 1 bis 2-prozentige jährliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (Effizienzsteigerung durch Technologieverbesserung) gegenüber, was zu einem jährlichen Wachstum der CO 2 -Emissionen von 3 bis 4 Prozent führt (IPCC 2007a). Bis zum Jahr 2020 könnten sich demzufolge die CO 2 -Emissionen mehr als verdoppeln. Die Umweltauswirkungen des Luftverkehrs können sich jedoch durch effizientere Flugzeuge im Zuge der kontinuierlichen Flottenmodernisierung reduzieren. Perspektivisch können durch neue effiziente Technologien (vgl. Kap. 5) die Umweltauswirkungen zumindest relativ gesehen reduziert werden (vgl. Abb. 3-1) (Price 2007a). ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS

15 SEITE 6 Percentage of year 2000 CO 2 Emissions Emissions trading? Assumptions 4.25% pa growth in passenger kms 1.5% pa improvement in fleet efficiency Impact of ACARE targets of 50% efficiency improvement delivered in 2020 and fully deployed by 2045 Sustainable aviation emissions Abb. 3-1: Wachstum des zivilen Luftverkehrs und der CO 2 -Emissionen (Price 2007a) Bei der Bewertung der einzelnen Verkehrsträger hinsichtlich Schadstoffemissionen, nimmt der Luftverkehr eine Sonderstellung ein. Er emittiert hauptsächlich Kohlendioxid (CO 2 ), Stickoxide (NO X ) und unverbrannte Kohlenwasserstoffen (UHC) in typischen Flughöhen von 8 bis 12 km (FL ) innerhalb der obere Troposphäre bzw. Tropopause (Unterschallverkehrsflugzeuge). In dieser Höhe lassen sich die Auswirkungen auf die Atmosphäre recht eindeutig dem Luftverkehr zuordnen, da er, abgesehen von vulkanischen Aktivitäten, die einzige Emissionsquelle in dieser Höhe darstellt. Der Höhenbereich ist dadurch charakterisiert, dass diese Spurengase sonst nur in einer geringen natürlichen Konzentration vorhanden sind. Die Verweilzeiten der Spurengase sind im betrachteten Höhenbereich um ein vielfaches länger als in der Nähe der Erdoberfläche. Mit Eintritt in die stabil geschichtete Stratosphäre steigt die Verweilzeit der Spurengase weiter an. Das Einbringen von zusätzlichen Spurengasen mit hohem Strahlungsantrieb (RF) kann hier einen stärkeren Treibhauseffekt bewirken, als vergleichbare Emissionen in der Nähe der Erdoberfläche. Damit kommt den Emissionen des Luftverkehrs eine größere Bedeutung zu (IPCC 1999). Schadstoffemissionen können anhand ihrer verschiedenen Wirkungsmechanismen und Einflüsse unterschieden werden. Einen direkten Einfluss hat CO 2, das ein direktes Treibhausgas darstellt und zur Erwärmung der Atmosphäre beiträgt. Russpartikel hingegen haben einen indirekten Einfluss, da sie als Kondensationskerne zur Kondensstreifen- und Zirrenbildung beitragen. NO X -Emissionen sind ebenfalls indirekt wirksam. Sie tragen hier über eine photochemische Reaktionskette zur Zunahme des Treibhausgases Ozon (O 3 ) bei. Im Flughafennahbereich wirken sich Schadstoffemissionen vor allem auf die lokale Luftqualität aus. Die Gesamtkonzentration hängt hier zusätzlich von anderen im Flughafennahbereich vorhandenen Emissionsquellen, den topografischen Bedingungen sowie den lokalen Wetterverhältnissen ab. Dem Luftverkehr wird lokal seit einigen Jahren große Aufmerksamkeit gewidmet, da sich hier nicht nur die Flugbewegungen konzentrieren, sondern zusätzlich bodeninduzierte Schadstoffemissionen des Luftverkehrs z.b. durch Taxiing oder die Benutzung der Hilfsgasturbine (APU) hinzukommen. Im Vergleich zu anderen Emissionen/Effekte besitzt CO 2 die längste Verweilzeit in der Atmosphäre. Die mittlere Verweilzeit beträgt dabei 50 bis 200 Jahre (vgl. Tab. 3-1). Daher kann sich CO 2 in der Atmosphäre homogen verteilen, wodurch Emissionsort und -höhe eher eine untergeordnete Rolle spielen. Die Verweilzeit von Kondensstreifen (Cirren) kann unter bestimmten Voraussetzungen (z.b. Nordatlantikbereich) sogar bis zu einigen Tagen betragen (IPCC 1999). ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS

16 SEITE 7 Tab. 3-1: Verweilzeit verschiedener Emissionen/Effekte in der Tropopause (Greener by Design 2005) Kohlendioxid (CO 2 ) Methan (CH 4 ) Wasserdampf (H 2 O) Ozon (O3) Stickstoffoxide (NO X ) Cirrus, Kondensstreifen Jahre 8-10 Jahre Wochen Monate Wochen Stunden Abb. 3-2 zeigt die Verbrennungsprodukte eines idealen und eines realen Verbrennungsprozesses, wie er in der Brennkammer eines Triebwerks stattfindet. Tab. 3-2 zeigt die Masse der entstehenden Verbrennungsprodukte bezogen auf 1 kg Kerosin und welche Wirkungen sie erzeugen. Die emittierte Menge an Schadstoffen ist nicht in jedem Fall proportional zum Kraftstoffverbrauch, weshalb eine differenzierte Betrachtung der einzelnen Schadstoffe notwendig wird. CO 2 -Emissionen machen ungefähr 72 Prozent der Verbrennungsprodukte aus. Sie sind genau proportional zur Menge verbrannten Kerosins. Eine Reduzierung der CO 2 -Emissionen kerosinbetriebener Flugzeuge erfordert demzufolge eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Wasserdampf (H 2 O) macht knapp 28 Prozent der Verbrennungsprodukte aus. Er ist die Hauptursache für Kondensstreifen- und Zirruswolkenbildung. Abb. 3-2: Produkte beim Verbrennungsprozess (IPCC 1999) Tab. 3-2: Masse und Auswirkungen der Verbrennungsprodukte von 1 kg Kerosin (Peitsch 2007) 3,15 kg Kohlendioxid Toxisch neutral, Wetterbeeinflussung 1,24 kg Wasser(dampf) Toxisch neutral, Eis- und Wolkenbildung (Zirren), Nebel 6-20 g Stickoxide Erzeuger photochemischen Smogs, führt in Reiseflughöhe zum Aufbau von Ozon 0,7-2,5 g Kohlenmonoxid Giftig, reduziert Sauerstoffkapazität im Blut 0,1-0,7 g UHC Von toxisch neutral bis giftig, je nach Zusammensetzung 0,02 g Ruß Sichtminderung, Träger von Giftstoffen, Kondensationskerne Schwefeloxide Vernachlässigbare Konzentration, Saurer Regen ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS

17 SEITE 8 Bei der vollständiger Verbrennung stellen diese Massen gleichzeitig die Emissionsindizes (EI) der einzelnen Stoffe dar. Als EI wird die emittierte Menge einer Abgaskomponente in Gramm bezogen auf ein Kilogramm verbrauchtes Kerosin bezeichnet (Baumbach, Zuberbühler & Parakenings 2000). Der EI variiert jedoch in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Triebwerks in den verschiedenen Flugphasen wie Start, Steigflug, Reiseflug und Sinkflug (vgl. Abb. 3-3). Die Produktion der einzelnen Emissionsgruppen wie NO X, Ruß, UHC, CO und CO 2 sind auch abhängig vom jeweiligen Triebwerksschub (Last bzw. Drosselgrad). Abb. 3-3: Verteilung der Emissionen über ein Flugprofil (Donnerhack 2005) NO X -Emissionen entstehen bei der unvollständigen Verbrennung von Kerosin. Sie nehmen mit wachsendem Schub und fetter Verbrennung zu. Besonders während des Starts und des Steigflugs bei maximaler Triebwerksleistung entsteht die größte Menge NO X. CO- und UHC-Emissionen nehmen in der Abflugphase und während des Rollens zu, weil hier der Schub reduziert wird und damit das Verhältnis von Kerosin zu Luft abnimmt (Hotes & Hussels 2005). Die Entwicklung eines Triebwerks mit konsequenter Verringerung der Schadstoffemissionen wird durch den weiten Betriebsbereich erschwert, der abgedeckt werden muss. Dies gilt im Hinblick auf die einzustellende Triebwerksleistungsstufe, die einerseits während der Startphase die maximale Schuberzeugung bis an die Auslegungsgrenzen des Triebwerks fordert. Andererseits soll jegliche Restleistungsumsetzung im Leerlauf (Idle) verhindert werden. Ein Triebwerk wird darüber hinaus unter verschiedenen äußeren Bedingungen betrieben: Tiefe Temperaturen beim Start an Kalttagen in den polaren Regionen und sehr niedrige Drücke beim langsamen Flug in großer Höhe stehen Temperaturen beim Start in heiß-trockenen Regionen gegenüber. Eine geeignete stöchiometrische Verteilung in der Brennkammer muss das Verlöschen der Flamme unter ungünstigsten Bedingungen zwingend verhindern. Während des Reiseflugs muss eine hohe Effizienz bei Teillast gewährleistet werden. Dies führt zum typischen Emissionsverhalten von konventionellen Brennkammern, wie es in Abb. 3-4 abgebildet ist. Hohe Emissionen von CO und UHC im Teillastbereich stehen hohen NO X -Emissionen bei Volllast gegenüber. Neue Brennkammerkonzepte der Low-NO X -Generation können eine stöchiometrische Verbrennung in der Primärzone bei Volllast realisieren. Dazu zählen Fett-Mager-Verbrennung (Rich Burn-Quick Quench-Lean Burn, RQL) oder magere Verbrennung mit Vorvermischung und Vorverdampfung (Lean Premixed Prevaporized, LPP). Brennkammern dieser Generation sind zum Teil noch in der Erprobung (Wulff 2001). Einfluss auf die Wirksamkeit der Schadstoffemissionen haben nicht alleine die Betriebsbedingung der Brennkammer und die dabei emittierten Mengen. Weiteren Einfluss haben auch die Hintergrundkonzentration, die Flughöhe, die geografische Breite sowie die Jahreszeit, in der die Emissionen erfolgen. Die Flughöhe spielt dabei eine entscheidende Rolle. In der Troposphäre wie auch in der unteren Stratosphäre wird über Oxidation der Stickoxide das Gas Ozon produziert. ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS

18 SEITE 9 Abb. 3-4: Emissionscharakteristik einer konventionellen Brennkammer (Fink 2001) Die Flughöhe übt einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf des EI von NO X und CO bei Turbofantriebwerken aus. Abb. 3-4 zeigt, dass bei magerer Verbrennung (geringerer Schub) hauptsächlich CO emittiert wird, während bei fetter Verbrennung (zunehmender Schub und hohe Verbrennungstemperatur) der NO X -Anteil zunimmt. Die Flughöhe kann dieses Verhältnis jedoch umkehren. Der Ausstoß von CO ist in 11 km Höhe (FL360) größer als auf Meeresniveau. Mit zunehmender Höhe sinkt dagegen der Ausstoß von NO X (Hotes & Hussels 2005). Der Kraftstoffverbrauch steigt grundsätzlich an, wenn unterhalb der optimalen Reiseflughöhe geflogen wird, da der Widerstand des Luftfahrzeugs und somit der Schubbedarf zunimmt. Mit zunehmendem Schubbedarf steigen die NO X -Emissionen aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen wieder an. Moderne Luftfahrzeuge fliegen, wenn möglich, in der jeweils optimalen Höhe, um kraftstoff- und zeitoptimal zu fliegen. Auch atmosphärische Bedingungen haben Einfluss auf die Emissionsproduktion, wie z.b. die Umgebungstemperatur. Bei höheren Umgebungstemperaturen nehmen die NO X -Emissionen aufgrund höherer Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer zu. Im Gegensatz dazu sinken die Emissionen von CO und UHC aufgrund der effizienteren Verbrennung des Luft-Treibstoff-Gemisches. An kalten Tagen kehrt sich das Verhältnis um (Hotes & Hussels 2005). Diese Darstellung verdeutlicht in kurzer Form die Komplexität der Emissionsentstehung. Bezüglich weiterer Details sei auf die Berichte des IPCC (1999, 2007a), Hotes et al. (2005) sowie auf Sausen et al. (2005) verwiesen. ENTWICKLUNG UND UMWELTAUSWIRKUNG DES LUFTVERKEHRS

19 SEITE 10 4 GRENZWERTE UND RICHTLINIEN Im Band II Aircraft Engine Emissions des Annex 16,der ICAO sind die Zertifizierungsnormen für Emissionen von Flugzeugtriebwerken aufgeführt (ICAO 1993 International Standards and recommended Practices - Environmental Protection Annex 16 to the Convention on international Civil Aviation, Volume II, Aircraft Engine Emissions, Second Edition July 1993). Diese Normen wurden vom Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP) verfasst. Dabei wurden die Abgasemissionen von Flugtriebwerken in folgende Kategorien unterteilt: Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO X ). Zusätzlich sind Bestimmungen für Rauch- und Russbildung formuliert worden. Als Referenzbedingungen für die Zertifizierung von Triebwerken wird der Start- und Landezyklus (Landing and Takeoff Cycle, LTO) unterhalb von ft (914 m) über dem Boden angesetzt (vgl. Abb. 4-1) (EG 1999). Als Folge wurden Emissionsgrenzen für Stickoxide, Kohlenmonoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe für den LTO-Zyklus festgelegt. Abb. 4-1: Standard LTO-Zyklus und Emissionsregeln (Donnerhack 2005) Die von der ICAO vorgeschlagenen Standards werden in nationalen Luftfahrzeugzulassungsvorschriften umgesetzt. Triebwerke müssen die Triebwerkszertifizierungsstandards erfüllen. Die emittierten Mengen an CO 2, H 2 O und SO 2 werden vom Gesamtbrennstoffverbrauch bzw. der Zusammensetzung des Brennstoffes bestimmt. Sie zählen zu den unregulierten Emissionen, da es derzeit keine Standards hinsichtlich dieser Schadstoffe für die Zulassung von Triebwerken gibt. Die Vorschriften geben Obergrenzen für den Anteil von NO X, CO, UHC und Ruß im Abgas in Abhängigkeit vom Triebwerksschub an. Dabei wird für die einzelnen Stoffe eine zeitgewichtete Gesamtemissionsmenge auf den maximalen Startschub F TO des Triebwerks ermittelt. Diese dürfen für zivile Triebwerke mit einem Startschub F TO größer 26,7 kn die zulässigen Höchstwerte nicht überschreiten. Die zulässige Stickoxidmenge wird anhand des Gesamtdruckverhältnisses (Overall Pressure Ratio, OPR) berechnet. Dadurch wird berücksichtigt, dass dieser Parameter das Niveau der Stickoxidbildung mitbestimmt. Zur Ermittlung der Smoke Number (SN) wird die Intensität der Schwärzung eines Papierfilters durch ein vorgegebenes Abgasvolumen festgestellt. Die Emissionswerte hängen insgesamt stark von der vorgegebenen Triebwerks-Flugzeug-Kombination und den Einsatzbedingungen ab. Daher wäre es genauer, flugzeugspezifische Grenzwerte zu erlassen. Ungeklärt ist, auf welche Parameter die Grenzwerte bezogen werden können. Mögliche Alternativen wären Transportleistung, Nutzmasse, Gesamtmasse oder Reichweite. Andererseits lässt sich argumentieren, dass eine im Bodenbetrieb wirksame Emissionsminderung auch eine adäquate Reduzierung der Emissionen im Reiseflug zur Folge haben wird. Die Ausdehnung der Zulassungsvorschriften auf weitere Flugphasen, wie Steig- und Reiseflug ist an die Klärung dieser offenen Fragen gebunden (Wulff 2001). GRENZWERTE UND RICHTLINIEN

20 SEITE 11 Von der ICAO wurden erstmalig 1981 NO X -Grenzwerte eingeführt, um die Luftqualität an Flughäfen zu verbessern (vgl. Abb. 4-2) wurde der Grenzwert von der ICAO verschärft, um die NO x - Emissionen von neuen Triebwerken ab 1999 um 20 Prozent zu reduzieren. Im Jahr 1999 wurde der Standard für NO X um durchschnittlich weitere 16 Prozent für neuere Triebwerke mit einer Zertifizierung ab 2003 (CAEP/4) reduziert (ICAO 2007a). Dieser Standard wird von der ICAO weiter fortgeschrieben. In der aktuellen Richtlinie CAEP/6, gültig für Triebwerke ab 2008, wird ein Grenzwert von 12 Prozent unterhalb von CAEP/4 festgelegt. Im Hinblick auf NO X trat mit dem Beschluss von CAEP/6 zum 1. Januar 2008 für neue Triebwerke ein schärferer Grenzwert der ICAO in Kraft (vgl. Abb. 4-2). Die Abbildung zeigt, dass bereits zahlreiche Triebwerke den neuen NO X -Grenzwert unterschreiten. Zudem legt der Grenzwert die Emissionen anhand des LTO-Zyklus fest und berücksichtigt daher lediglich lokale Einflüsse; der Reiseflug bleibt weiterhin ausgenommen (Hotes & Hussels 2005). Abb. 4-2: CAEP Richtlinien für NO X (Donnerhack 2005) Die Engine Exhaust Emissions Data Bank (Doc 9646) der ICAO wurde 1995 veröffentlicht und beinhaltet umfassende Emissionsdaten von Flugtriebwerken. Sie wird konsequent mit neueren Daten ergänzt. Zusätzliche Parameter sind momentan in Planung, auf denen neue Emissionsbeschränkungen für den Reiseflug basieren könnten. Dabei sollen technische Trends für geringere Emissionen, sowie die Leistung und Effizienz des Flugzeugs mit einbezogen werden. Besondere Aufmerksamkeit ist auch hier den NO X -Emissionen gewidmet. Mit dem EU-Emissionshandel (Emissions Trading Scheme, ETS), der am 1. Januar 2005 europaweit in Kraft trat, versucht die Europäische Union die Emission von Treibhausgasen zu steuern Im Dezember 2006 schlug die EU-Kommission vor, den Flugverkehr in das EU-Emissionshandelssystem aufzunehmen. Derzeit ist geplant, dass Fluggesellschaften ab 2012 Emissionsrechte auf Flugstrecken, die Flughäfen der EU berühren, nachweisen müssen. Die derzeitige Zielfestlegung basiert auf dem Durchschnittskraftstoffverbrauch von 2004 bis 2006 (Europäisches Parlament 2007). GRENZWERTE UND RICHTLINIEN

21 SEITE 12 5 ZIELE DER ACARE VISION 2020 Die Luftfahrtindustrie konnte in den letzten Jahrzehnten den spezifischen Kraftstoffverbrauch von Triebwerken und Flugzeugen erfolgreich verringern. Seit der Einführung von jetbetriebenen Flugzeugen vor ungefähr 50 Jahren, konnte der Kraftstoffverbrauch pro 100 Pkm um 70 Prozent verringert werden. Ungefähr zwei Drittel der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs gehen auf eine Effizienzsteigerung der Triebwerke im Reiseflug zurück (Birch 2000). Die Vergrößerung des Bypassverhältnisses (Bypass Ratio, BPR) von Triebwerken ging in der Vergangenheit mit den ständigen Bemühungen zur Verbesserung des Vortriebswirkungsgrades und damit mit Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit einher. Abb. 5-1 zeigt den Zusammenhang an einigen Beispielen der einzelnen Triebwerksgenerationen. Die heutigen hoch entwickelten Turbofantriebwerke haben sich im Verlauf der letzten 50 Jahre aus Turbojets und Turbofans mit geringem Bypassverhältnis, zu Triebwerken mit einem BPR von 8 und höher sowie mit zwei oder drei Wellen entwickelt. Abb. 5-1: Entwicklung des BPR und SFC (Martens 2007a) Auch die Lärmemissionen konnten in der Vergangenheit gesenkt werden, getrieben von der schnellen Entwicklung der Airporthubs in den Städten und der damit verbundenen Fluglärmbelastung der Anwohner. Mit wachsendem BPR konnte die Lärmemission von Flugzeugen um ungefähr 20 db in den vergangenen 40 Jahren verringert werden (vgl. Abb. 5-2). Abb. 5-2: Drei Jahrzehnte der Lärmminderung (Smith 2005) Der stetig wachsende Luftverkehr mit infolgedessen stark wachsenden Emissionen hat die Industrie veranlasst, dem Thema der Schadstoffemissionen eine wachsende Bedeutung beizumessen. Neue Produkte (Triebwerke und Flugzeuge) werden zunehmend hinsichtlich reduzierter CO 2 -Emissionen ent- ZIELE DER ACARE VISION 2020