Abgasemissionen aus Flugtriebwerken
Schema Kerosin-Verbrennungsprodukte
(Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)
Aus einem Kilogramm des Turbinenkraftstoffs Kerosin und 3,4 kg Sauerstoff entstehen bei der Verbrennung im Triebwerk rund 3,15 kg Kohlendioxid (CO2) und 1,24 kg Wasserdampf (H2O). Je nach Auslegung und Betriebszustand des Triebwerks fallen an Schadstoffen 6-20 g Stickoxide (NOx), 0,7-2,5 g Kohlenmonoxid (CO), 0,1-0,7 g unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CxHy) und 0,01-0,03 g Ruß an.
CO, CxHy und Ruß sind Produkte unvollständiger Verbrennung. Die spezifischen Emissionen dieser Stoffe liegen bei modernen Flugtriebwerken weit unter den Werten älterer Triebwerke. Die Senkung von Kerosinverbrauch und Emissionen wurde bisher in erster Linie durch die Erhöhung von Verbrennungstemperatur und Druck in der Brennkammer erreicht. Diese Bedingungen begünstigen jedoch die Bildung von Stickoxiden, die nicht bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehen, sondern durch Oxidation des in der Luft enthaltenen Stickstoffs.
Um auch bezüglich NOx einen Rückgang der spezifischen Triebwerksemissionen zu erzielen, mussten neue Brennkammerkonzepte entwickelt werden, die erst vor wenigen Jahren die Serienreife erlangt haben.
Im Vergleich zu anderen Mineralölprodukten ist Kerosin ein sehr reiner Kraftstoff. Da es frei von Blei- und Halogenverbindungen ist, werden weder Schwermetalle noch Dioxine emittiert. Nach einer international gültigen Spezifikation darf Kerosin maximal 0,3% Schwefel enthalten.
Untersuchungen haben ergeben, dass der Schwefelgehalt des in Deutschland vertankten Kerosins bei durchschnittlich 0,05% liegt. Bei diesem Schwefelgehalt entsteht pro Kilogramm Kerosin bei der Verbrennung rund ein Gramm Schwefeldioxid (SO2).
Je nach betrachteter Schadstoffkomponente wird dem Luftverkehr ein Anteil von 0,4% bis 2,4% an den insgesamt für Deutschland ermittelten Luftschadstoffemissionen zugerechnet. Für die Qualität der bodennahen Luft sind jedoch nur die innerhalb der planetaren Grenzschicht ausgebrachten Abgase maßgeblich. Diese durch die Luftreibung an der Erdoberfläche beeinflusste Schicht weist je nach Tages- und Jahreszeit eine Mächtigkeit von 300 bis 1.200 Meter auf.
Zur Ermittlung der in Bodennähe emittierten Flugzeugabgase wurde international der sogenannte LTO (Landing and Take Off) -Zyklus definiert, der Anflug, Landung, Rollvorgänge, Start und Steigflug unterhalb einer Grenzhöhe von 3.000 Fuß (rund 900 m) umfasst. Beim Landeanflug nach Instrumentenflugregeln wird diese Höhe ca. 20 km vor der Landung unterschritten. Startende Flugzeuge verlassen den LTO-Bereich nach rund 7 km.
Der ICAO-LTO-Zyklus.
(Quelle: Airbus)
Luftqualität auf dem Flugplatzgelände
Seit den 70er Jahren werden auf Flugplätzen und in ihrer Umgebung zahlreiche Luftqualitätsuntersuchungen durchgeführt. Auf mehreren deutschen Flughäfen sind permanente Messstationen installiert, die kontinuierlich über die lufthygienische Situation vor Ort Auskunft geben. Neben den "klassischen" Luftschadstoffen CO, CxHy, NOx und SO2 können weitere Spurengase und Partikel erfasst werden.
Da sich gasförmige Schadstoffe nach ihrer Freisetzung aus verschiedenen Quellen in der Luft vermischen, kann bei Luftqualitätsmessungen nur die Gesamtbelastung durch den jeweiligen Schadstoff erfasst werden. In den ermittelten Schadstoffkonzentrationen sind daher neben den durch den Flugbetrieb verursachten Anteilen auch die Anteile des Bodenverkehrs sowie von außerhalb auf das Flughafenareal verfrachtete Belastungen enthalten.
Alle bisher durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass die auf den Flugplätzen ermittelten Luftschadstoffkonzentrationen die in benachbarten Stadtgebieten zu verzeichnenden Belastungen deutlich unterschreiten und weitgehend der Situation im Umland entsprechen.
Untersuchungen der ADV-Task Force „Schadstoffreduzierung“ zu Rußpartikelemissionen haben ergeben, dass der Flugbetrieb nur einen geringen Beitrag zu den Partikelimmissionen leistet. Den entscheidenden Beitrag zu den Partikelimmissionen liefern die Servicegeräte am Boden sowie der sonstige Kfz-Verkehr. Hier können emissionsmindernde Maßnahmen ergriffen werden, was die Flughäfen in der Vergangenheit auch bereits getan haben. So wurde am Flughafen HAM damit begonnen, den flughafeneigenen Fuhrpark auf Erdgas umzustellen. Die ADV-TF „Schadstoffreduzierung“ hat in einer Übersicht die bisher umgesetzten Maßnahmen aufgelistet und Empfehlungen für weitere Maßnahmen ausgesprochen.
Einfluss des Flughafenbetriebes auf die Luftqualität der Region
Luftqualitätsmessungen geben für jeden betrachteten Stoff Auskunft über die Belastungssituation am Messort. Um Informationen darüber zu erhalten, welchen Anteil bestimmte Verursacher an der Gesamtbelastung einer Region haben, wurden Rechenmodelle entwickelt, die für einen vorgegebenen Untersuchungsraum alle relevanten Schadstoffquellen und deren Emissionen erfassen. Seit November 2002 nutzen die Flughäfen das Ausbreitungsmodell LASPORT, das im Auftrag der ADV entwickelt wurde. Dieses Modell ist das modernste seiner Art, das auf dem deutschen Ausbreitungsmodell LASAT basiert. Das Umweltbundesamt hat beschlossen, das Modell LASAT im Rahmen der Überarbeitung der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) als Standardmodell einzusetzen.
In einer vom Bundesverkehrsministerium veröffentlichten Studie hat die Technische Universität Berlin den Einfluss luftverkehrsinduzierter Emissionen auf die Flughafenregion untersucht.
Auf Basis vorhandener Emissionsgutachten wurden für mehrere große Flughäfen beispielhaft die im Nahbereich immissionswirksamen Schadstoffmengen abgeschätzt. Die flughafeninduzierten Emissionen setzen sich aus den Bereichen Flugbetrieb, Kraftfahrzeugverkehr auf der Luftseite (Verkehr auf Flughafenbetriebsflächen) und Landseite (Zubringerverkehr zum Flughafen) sowie stationäre Quellen (z.B. Heizwerke) zusammen.
Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die betrachteten Flughäfen jeweils weniger als 10% zur Gesamtbelastung der Region beitragen. Von der flughafeninduzierten Schadstoff-Fracht wird wiederum nur ein Drittel in Flugzeugtriebwerken erzeugt. Der höchste Einzelanteil entfällt auf den landseitigen Pkw-Zubringerverkehr.
Als effektivste Maßnahme zur Verringerung der flughafeninduzierten Schadstoffbelastung wird daher die optimale Anbindung des Flughafens durch öffentliche Verkehrsmittel genannt. Daher fördern die Flughäfen die Anbindung des Flughafens an den öffentlichen Verkehr. Außerdem investieren die Flughäfen in moderne Energieerzeugungstechnik (Blockheizkraftwerk), emissionsarme Vorfeldfahrzeuge (H2-Projekt Flughafen München, Erdgas), um die Luftqualität weiter zu verbessern.
Solaranlage am Flughafen München
(Foto: Flughafen München)
Verkehr und Sommersmog
Zu Sommersmog oder photochemischem Smog kommt es bei intensiver Sonnenstrahlung und hohen Temperaturen. Hierbei werden durch eine photochemische Reaktion aus Abgasen Ozon und weitere schleimhautreizende Stoffe gebildet. Wichtigste Vorläufersubstanzen des Ozons sind Stickoxide und Kohlenwasserstoffe.
Nach Auskunft des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind für die Ozonbelastung an heißen Tagen ausschließlich die Emissionen maßgebend, die innerhalb der planetaren Grenzschicht freigesetzt werden. Der Beitrag des Luftverkehrs wird auch im unmittelbaren Umfeld der Flughäfen im Vergleich zum Hauptverursacher Straßenverkehr als gering erachtet.
Pflanzen- und Bodenuntersuchungen im Flughafenumfeld
In den Einflussbereichen deutscher Flughäfen werden neben Lufthygieneuntersuchungen auch zahlreiche Pflanzen- und Bodenuntersuchungen durchgeführt. In allen Fällen sind die ermittelten Schadstoffkonzentrationen niedrig. Anhaltspunkte für eine Beeinflussung durch den Flugbetrieb ergeben sich nicht. Vielfach liegen die auf dem Flughafengelände festgestellten Belastungswerte weit unter den Werten von Vergleichsproben, die außerhalb des Flughafeneinflussbereichs entnommen wurden.
Schadstoffmessung am Flughafen
(Foto: Flughafen Zürich)
Biomonitoring
Auf einigen Flughäfen werden neben Pflanzen- und Bodenuntersuchungen auch Bioindikationsprogramme durchgeführt. Unter Bioindikation oder Biomonitoring wird die Verwendung von Organismen oder Organismengemeinschaften verstanden, deren Lebensfunktionen sich mit bestimmten Umweltfaktoren so eng in Beziehung setzen lassen, dass Rückschlüsse auf diese Umweltfaktoren möglich sind. So eignet sich Grünkohl zum Nachweis polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK), Tabak zum Nachweis der Schadwirkung von Ozon und Weidegras zum Nachweis von Schwermetallen.
Die auf den Flughäfen durchgeführten Bioindikationsprogramme bestätigen die mit anderen Messmethoden erzielten Untersuchungsergebnisse. Für alle mittels Bioindikation untersuchten Substanzen gilt, dass auf den Flughäfen keine Auffälligkeiten festgestellt wurden.
Einige deutsche Flughäfen halten sich Bienenvölker, aber nicht zur Produktion von Honig, sondern zur Kontrolle der Schadstoffbelastung in ihrer Umgebung. Auch die Bienen dienen hier als Bioindikator. Schadstoffe aus der Umwelt können auf verschiedenen Wegen in ein Bienenvolk gelangen. Die Biene kann direkt über Wasser und Luft Schadstoffe aufnehmen und in das Bienenvolk tragen. Pflanzen können Schadstoffe aus Luft, Wasser oder Boden aufnehmen und über die Nektar- und/oder Pollentracht an die Bienen weitergeben.
Bienenvölker durchfliegen ihr Fluggebiet sehr intensiv und decken dabei mindestens eine Fläche von 12 km2 ab. Die Untersuchung des Honigs kann aufzeigen, wie sich die Schadstoffbelastung in diesem Gebiet zusammensetzt. Es ergibt sich ein Bild der Umweltbedingungen im Erntegebiet. Die Biene selbst wirkt quasi als „Biofilter“. Sie ist sehr empfindlich gegenüber Pflanzenschutzmitteln und anderen Chemikalien.
Pro Tag macht eine Biene ca. 40 Ausflüge und besucht dabei ca. 4.000 Blüten. Dabei nimmt die Biene mit ihrem Saugrüssel den Nektar der Blüten auf und verdünnt ihn mit Ihrem Speichel. Dieser enthält Enzyme, die hauptsächlich für den Umbau des Nektars in Honig verantwortlich sind.
Die Eigenschaft der Biene als Indikator und Sammler sowie die mögliche Akkumulation von Schadstoffen in Pollen, Wachs und Honig dient somit der Überwachung und Einschätzung von Immissionen im jeweiligen Beobachtungsgebiet.
Die bisherigen Messergebnisse bestätigten die positiven Ergebnisse der Luftqualitätsmessungen der Flughäfen und bescheinigten dem Honig eine einwandfreie Genießbarkeit.
Biomonitoring an Flughäfen
(Foto: Flughafen München, UMW Umweltmonitoring, Flughafen Hamburg)
Fuel Dumping - ein Verfahren für Notfälle
Das Fahrwerk eines Flugzeugs wird bei der Landung stärker beansprucht als beim Start. Um Fahrwerk und Bremsen leichter bauen zu können, liegt bei Langstreckenflugzeugen, die über eine hohe Treibstoffkapazität verfügen, das höchstzulässige Landegewicht deutlich unter dem höchstzulässigen Startgewicht.
Durch das geringere Gesamtgewicht lassen sich im Laufe eines Jahres pro Flugzeug hunderte Tonnen Kerosin sparen.
Für den Fall, dass nach dem Start technische Schwierigkeiten auftreten, die eine rasche Landung erzwingen, sind Langstrecken-Flugzeugmuster wie Airbus 330, 340 und 380, Boeing 747, 767 und 777 sowie MD11 mit Vorrichtungen ausgestattet, über die im Flug Treibstoff abgelassen werden kann.
Das als "Fuel Dumping" bezeichnete Treibstoffablassverfahren ist auf Notfälle beschränkt, bei denen keine Zeit bleibt, den überschüssigen Treibstoff zu verfliegen und die in Einzelfällen erlaubte Übergewichtslandung nicht möglich ist.
Die Deutsche Flugsicherung registriert pro Jahr ca. 40 derartige Vorkommnisse. Bei etwa 1,1 Millionen Starts im gewerblichen Luftverkehr ergibt sich daher pro 27.500 Starts einmal eine Situation, die einen Treibstoffschnellablaß notwendig macht.
Die Flugsicherung weist der betroffenen Maschine einen Luftraum zu, in dem Treibstoff freigesetzt werden darf. Dies geschieht nach Möglichkeit über unbebautem Gebiet. Als Mindesthöhe sind 1.500 Meter über Grund vorgeschrieben, meist erfolgt der Treibstoffablass jedoch in vier bis acht Kilometern Höhe. Es dürfen keine geschlossenen Kreise geflogen werden und die Fluggeschwindigkeit muss mindestens 500 km/h betragen.
Nur Langstreckenflugzeuge sind mit Vorrichtungen zum Treibstoffnotablass ausgerüstet
(Foto: DNA)
Der größte Teil des durch die Auslassdüsen freigesetzten und in den Turbulenzen hinter dem Flugzeug zu einem feinen Kraftstoffnebel verwirbelten Kerosins verdampft und verbleibt in der Atmosphäre, bis er durch die Strahlungsenergie der Sonne zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wird. Nur ein Bruchteil des abgelassenen Kerosins erreicht den Erdboden.
Bei einem Fuel Dump in der Mindesthöhe von 1.500 Metern, bei Windstille und einer Bodentemperatur von 15°C sind es rechnerisch 8% der insgesamt abgelassenen Treibstoffmenge. Daraus lässt sich für die Mindestgeschwindigkeit von 500 km/h eine Bodenbelastung von 0,02 Gramm pro Quadratmeter ermitteln, was mengenmäßig einem Schnapsglas Kerosin verteilt auf eine Grundfläche von 1.000 Quadratmetern entspricht.
Die bei dieser modellhaften Betrachtung vorausgesetzte völlige Windstille ist unter Realbedingungen allerdings äußerst unwahrscheinlich. Bereits geringe Luftbewegungen und die damit verbundene Durchmischung der Luft bewirken, dass der freigesetzte Treibstoff praktisch vollständig verdampft, ehe er den Boden erreichen kann. Dies erklärt, weshalb es trotz Einsatz empfindlichster Messgeräte bisher nicht gelungen ist, nach einem Fall von Fuel Dumping in Pflanzen- oder Bodenproben aus betroffenen Gebieten Verunreinigungen durch Kerosin festzustellen.
Für Kurz- und Mittelstrecken konzipierte Schmalrumpfflugzeuge (z.B. A320, B737, B757, MD80) sowie die Mittelstrecken-Widebodies A300 und A310 verfügen nicht über Vorrichtungen zum Treibstoffablass. Bei diesen Typen ist die Differenz zwischen höchstzulässigem Start- und Landegewicht so gering, dass in Notfällen grundsätzlich Übergewichtslandungen durchgeführt werden können. Bei hoher Luftfeuchtigkeit können hinter landenden Flugzeugen Dunstfahnen sichtbar werden, die von Tragflächenkanten ausgehen. Dabei handelt es sich nicht um abgelassenen Treibstoff, sondern um in Luftwirbeln kondensierte Luftfeuchtigkeit, die als Nebelfahne sichtbar wird.
Wirbelschleppen
Jedes Flugzeug hinterlässt auf seiner Flugbahn zwei gegenläufige Luftwirbel, die man als Wirbelschleppe bezeichnet. Die Luftwirbel entstehen, weil infolge des Druckunterschieds zwischen Unter- und Oberseite der Auftrieb erzeugenden Tragflächen an deren Enden eine Umströmung von unten nach oben erfolgt. Bei ausgefahrenen Landeklappen verstärkt sich die Intensität der hinter dem Flugzeug verbleibenden schlauchartigen Wirbel.
Grafische Darstellung von Wirbelschleppen.
(Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)
Im Normalfall lösen sich Wirbelschleppen rasch auf. Bei Windstille und hohen Temperaturen können sie jedoch lange genug stabil bleiben, um auch außerhalb des Flugplatzgeländes den Boden zu erreichen. Mitunter ist die Energie der Wirbelschleppen dann noch so groß, dass es zur Loslösung von Dachziegeln kommt. Für Schäden, die durch Wirbelschleppen verursacht wurden, haftet der Halter der Maschine. Flughäfen und Flugsicherung sind bei der Ermittlung des in Frage kommenden Luftfahrzeugs behilflich.
Blue Ice
Flugzeugemissionen sind üblicherweise gasförmig. Hin und wieder wird jedoch über Flugzeug-"Emissionen" berichtet, die als Eisklumpen zur Erde fallen. Was die Fachleute als "Blue Ice" bezeichnen, kann auch mit anderen Farben durchsetzt sein, denn es handelt sich um gefrorenes Abwasser aus Flugzeugtoiletten. Die Blaufärbung wird durch das zugesetzte Desinfektionsmittel verursacht.
Flugzeugtoiletten bilden geschlossene Systeme, die nur von außen geöffnet werden können. Im Flug sind die Ablassventile verschlossen. Die Dichtungen werden regelmäßig überprüft und ausgetauscht. Dennoch kann es vorkommen, dass eine Dichtung, die am Boden einwandfrei funktioniert, in Reiseflughöhe nicht mehr hält, was ihr Name verspricht. Dort ist der Kabinendruck deutlich höher als der äußere Luftdruck. Geringe Flüssigkeitsmengen können dann Tropfen für Tropfen nach außen dringen. In der kalten Umgebungsluft frieren sie am Flugzeugrumpf fest. Mit der Zeit bildet sich ein größerer Eisklumpen, der sich beim Eintritt des Flugzeuges in wärmere Luftschichten vom Rumpf löst und zur Erde fällt.
Für einen Schaden, der durch Blue Ice entstanden ist, haftet die Fluggesellschaft. Die Flugsicherung kann bei der Ermittlung des verursachenden Flugzeuges helfen. Hierzu ist allerdings die genaue Kenntnis des Zeitpunktes des Überfluges erforderlich.
| 
+ 49 (0)30 310118-52