Bestimmung von Schadstoffemissionen und Kraftstoff- Verbrauch auf der Basis von Luftverkehrs-Simulationen Paul Weitz Institut für Flugführung

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1 Bestimmung von Schadstoffemissionen und Kraftstoff- Verbrauch auf der Basis von Luftverkehrs-Simulationen Paul Weitz Institut für Flugführung Folie 1

2 Überblick 1. Motivation 2. Ziele der Arbeit 3. Identifikation von Schlüsselindikatoren für die Analyse von Emissionen und Treibstoffverbrauch 4. Konzept und Berechnungsgrundlage 5. Demo Folie 2

3 Forschungsarbeit am Institut für Flugführung Fokus der Forschung: Untersuchung neuer Systeme und Konzepte für das Luftverkehrsmanagement Ein Forschungswerkzeug: Simulationen Schnellzeitsimulation: Untersucht Verkehrsabläufe Echtzeitsimulation: Untersucht reale Arbeitsprozesse (insb. Lotsen- und Pilotenarbeitsplatz) Simulationskonzept: Durchführen verschiedener Luftverkehrsszenarien Bewertung nach definierten Schlüsselindikatoren Vergleich der Luftverkehrsszenarien Folie 3

4 Extensible Workflow Management for Simulations (EWMS) Problemstellung: Umfangreiche Simulationsauswertungen Komplexe Datenaufbereitung, da stark Simulatorabhängig Dateninterpretation aus Ergebnissen mehrer Simulatoren EWMS-Konzept: Unterstützung des gesamten Auswertungprozess Simulator-unabhängige Auswertungen Automatisierung so weit wie möglich => Auswertungssoftware zur umfangreichen, schnellen und standardisierten Auswertung für Luftverkehrssimulationen Folie 4

5 Motivation Idee von EMWS: Nicht nur Implementierung bekannte Methoden Sondern auch Einführung NEUER VERFAHREN UND METHODEN Bisherige Auswertung: Indikatoren für den Prozessablauf Rollzeiten, Staffelung, Queuelänge, usw. Neue Möglichkeiten der Auswertung: Lärmemissionen Treibstoffverbrauch Schadstoffemissionen Folie 5

6 Ziele der Treibstoff und Emissionsanalyse Prototypische Implementierung der Analyse von Emissionen und Kraftstoffverbrauch Darstellung der berechneten Werte in übersichtlichen Diagrammen Folie 6

7 Wissenschaftlicher Ansatz Umfangreiche Literaturrecherche zum Thema Schadstoffemissionen und Treibstoffverbrauch Zentrale Fragen: Welche Indikatoren müssen betrachtet werden? Welche Berechnungsgrundlagen werden benötigt? Welche Algorithmen gibt es bereits? Literaturgrundlage: ICAO, EUROCONTROL, Prof. Schuhmann (DLR), verschiedene Simulationshersteller Folie 7

8 Betrachtungsgrenzen Territoriale Einschränkung: Flughafenbereich bis zu einer Höhe von 3000 ft Flugphasen des LTO-cycle (engl. Landing and TakeOff cycle) Emissionsausstoß 25% des gesamten Fluges Folie 8

9 Schlüsselindikatoren Indikator für den Treibstoffverbrauch: verbrauchte Kraftstoff [Tonnen] Indikatoren für Schadstoffemissionen: Flugphasenunabhängige Stoffe: H 2 O, CO 2, SO X Flugphasenabhängige Stoffe: NO X, CO, HC, PM Identische Flugzeugtypen mit unterschiedlichen Triebwerkstypen Mittelwerte für Parameter ausreichend Grundlegendes Konzept: Vergleich zweier Luftverkehrsszenarien Folie 9

10 Berechnungsgrundlage Was bietet die EWMS Datenbank? Darstellung jedes Fluges in sog. Flugphasen Flugphase: Aktion (StartUp, Rollen, Start, Landung, usw.) Dauer der Phase Welches Luftfahrzeug (Callsign, Typ, etc.) Konzept: Berechnung des Kraftstoffverbrauchs aus Flugphaseninformationen Berechnung der Schadstoffe aus Treibstoffverbrauch und Flugphaseninformation Folie 10

11 Konzept CO Dauer der Phase HC Flugphase Art der Phase Luftfahrzeugtyp Triebwerkstyp Verbrauch Pro Zeiteinheit Treibstoff Verbrauch SOx NOx PM Folie 11

12 Fehlende Daten CO Dauer der Phase HC Flugphase Art der Phase Luftfahrzeugtyp Triebwerkstyp Verbrauch Pro Zeiteinheit Treibstoff Verbrauch SOx NOx PM Folie 12

13 Zusätzliche Datenbasen Welcher Flugzeugtyp hat welches Triebwerk? ICAO NoisedB database Welche Triebwerke haben welchen Treibstoffverbauch? schwedische Turboprop-Daten ICAO Engine Emissions Databank Welche Schadstoffe entstehen beim Verbrennen des Kerosins? ICAO Engine Emissions Databank Folie 13

14 F n D = a, n, p, D a p, a F p E EI F = p, e, a, n, D p, e a, n, p, D Folie 14

15 Darstellung Folie 15

16 Darstellung Folie 16

17 Vorführung Demo Folie 17

18 Ausblick Implementierung der Emissionsberechnung war als Prototyp geplant, aber: Haben sehr hohe Qualität erreicht Bachelorarbeit: Raumbezogene Emissionsauswertung und -darstellung Schwerpunkte: Optimierung Grid-Darstellung Karten-Overlay Weitere Ziele: Angebot und Einsatz in Projekten Folie 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? Folie 19

20 Anhang I JP ICAO Codes wake wing span Number of Engine Engines J A306 H 44,84 2 CF6-80C2A8 J A30B H 44,8 2 CF6-50C J A30B H 44,8 2 CF6-50C2R J B744 H 64,8 4 RB G J B744 H 64,8 4 RB H2 Ausschnitt aus der Flugzeugdatenbank von ICAO Engine EI HC Identification T/O C/O App Idle g/kg Allied Signal TFE B 0,114 0,128 4,26 20,04 TFE ,062 0,072 1,41 9,04 Ausschnitt aus der Triebwerksdatenbank von ICAO Folie 20

21 E) Dateneingabe: E1 Einlesen der Flugzeugtypen in Datenbank (Muss-Ziel) E2 Einlesen der Strahltriebwerksdaten in DB (Muss-Ziel) E3 Laden der Simulationsdaten (Muss-Ziel) E4 Einlesen der Turborop Daten in DB (Soll-Ziel) E5 Einlesen der APU Daten in DB (Kann-Ziel) V) Datenverarbeitung: V1 Bestimmung aller Flugzeugtypen, und der Dauer aller Flugphase der Simulation (Muss-Ziel) V2 Zuordnung von Triebwerkstyp Flugzeugtyp (Muss-Ziel) V3 Berechnung der Kraftstoff- und Emissionswerte (Muss-Ziel) A) Datenausgabe:A1 Darstellung der Kraftstoff- und Emissionswerte pro Simulation, Phase, Flugzeugtyp, Durchschnittswerte (Muss-Ziel) A2 Diagramme für verschiedene Schadstoffe (Soll-Ziel) A3 Diagramme für verschiedene Phasen, Flugzeuge (Kann-Ziel) Folie 21

22 Anhang III Bereich Faktoren Unsicherheit Berücksichtigung bei der Berechnung Flugzeug Flugzeugtyp Mittel (±25%) Detailliert Triebwerkstyp Mittel (±25%) Detailliert Zustand Flugzeug und Triebwerke Gering (<5%) Mittelwert Phase Spezifischer Treibstoffverbrauch in Groß (50%) Detailliert Abhängigkeit von Flugphase und Distanz (Taxi, Operational Towing) Warteschleifen Gering (<5%) Mittelwert Wetter (Wind, Temperatur) Gering (<10%) Nicht betrachtet Folie 22