Feinstaubzertifizierung von Flugzeugtreibwerken: Die Schweiz in der Rolle des Lotsen

20.05.2015 - Wie andere Verbrennungsmotoren emittieren auch Flugzeugtriebwerke lungengängige Feinpartikel. Obwohl die modernen Jets längst keine schwarzen Rauchschwaden mehr hinter sich herziehen, kann der von Turbinen ausgestossene Russ die menschliche Gesundheit gefährden und das Klima beeinflussen. Dank des Engagements der Schweiz erhält das Anliegen einer Feinstaubzertifizierung von solchen Triebwerken nun weltweit Auftrieb.

Kontrolle eines Jettriebwerks
Kontrolle eines Jettriebwerks am Flughafen Zürich-Kloten. Dank des Engagements der Schweiz auf internationaler Ebene werden die Flugzeuge in Zukunft weniger gesundheitsschädliche Russpartikel ausstossen.
© Keystone/Christian Beutler

Text: Beat Jordi

Ein voll besetztes Passagierflugzeug gängiger Konstruktion mit 150 Plätzen und zwei Triebwerken verbrennt pro Flugstunde etwa 2700 kg Kerosin. Die Unmengen an heisser Luft, welche den Turbinen entströmt und einem Jet unter anderem den nötigen Auftrieb gibt, enthalten - neben 8,5 t Kohlendioxid und 3,3 t Wasserdampf - auch etliche Luftschadstoffe. Dazu gehören typische Verbrennungsgase wie Stickoxide (NOX), Schwefeldioxid (SO2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und etwa 100 g Feinpartikel in Form von kleinsten, lungengängigen Russteilchen.

Treibstoffverbrauch um 80 % reduziert

Seit Einführung des Düsenantriebs in den 1950er-Jahren haben die Emissionen durch eine stark optimierte Verbrennung und den um 80 % reduzierten Treibstoffverbrauch markant abgenommen. Anders als bei Kolbenmotoren von Strassenfahrzeugen verbrennt ein Triebwerk den Kraftstoff nicht in unterbrochenen Arbeitstakten, sondern mit einer konstanten und gleichmässigen Flamme. Wie bei modernen Öl- oder Gasbrennern entsteht dank der hohen Betriebstemperaturen praktisch kein Russ. Dass den Jet-Triebwerken schwarze Rauchschwaden entweichen, wie dies noch zu Beginn der 1970er-Jahre üblich war, ist heute jedenfalls eine seltene Ausnahme.

Im Lauf der 1980er-Jahre hat die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) nämlich weltweit gültige Abgasgrenzwerte für grössere Flugzeugturbinen mit Strahlantrieb erlassen. Die Sonderorganisation der UNO führte 1983 zuerst eine Begrenzung für den Rauch und 1986 weitere Limiten für NOX, CO und HC ein. Inzwischen hat das Umweltkomitee CAEP der ICAO den Stickoxidgrenzwert in mehreren Schritten um über die Hälfte weiter gesenkt.

Grosse Mengen an Nanopartikeln

Auch wenn die emittierten Partikel mengenmässig kaum ins Gewicht fallen, sind die Flughäfen als Emissionsquelle von Feinstaub für die Gesundheit der Bevölkerung dennoch relevant «Die von Jetturbinen ausgestossenen lungengängigen Partikel sind so klein, dass die Messung ihrer Masse praktisch nichts anzeigt», erklärt Theo Rindlisbacher von der Sektion Umwelt beim Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL). «1 Kubikmeter Abgas aus einem Strahltriebwerk enthält typischerweise 0,1 Milligramm Russ. Diese Menge setzt sich im Durchschnitt aber aus 10‘000 Mrd. ultrafeinen Teilchen zusammen, die in der Regel deutlich kleiner sind als die entsprechenden Emissionen von Motorfahrzeugen.»

Während sich die LuftreinhalteVerordnung (LRV) des Bundes an Feinstaubpartikeln mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern (PM 10) orientiert, müsste man bei Flugzeugturbinen heute PM 0,1 messen, um überhaupt Effekte der Partikelminderung durch technische Massnahmen feststellen zu können. Deshalb werden neuerdings auch die Partikel aus Triebwerken gezählt, wie dies europaweit bei dieselbetriebenen Autos und Lastwagen- hierzulande auch bei Baumaschinen - der Fall ist.

Stoffumsatz von Flugzeugturbinen
Stoffumsatz und Emissionen eines gängigen Jets mit 2 Turbinen und 150 Passagieren während 1 Flugstunde
© Ruth Schürmann
Emissionsanteil der Verursachergruppen
Von allen relevanten Verursachergruppen steuert der eigentliche Flugbetrieb am landesweit grössten Flughafen in Zürich-Kloten mit Abstand die grössten Anteile an Luftschadstoffen bei.
© Flughafen Zürich

Das BAZL entwickelt einen PrototypenGestützt auf den 2006 vom Bundesrat verabschiedeten Aktionsplan Feinstaub setzte sich das BAZL bei der ICAO mit Erfolg für eine Feinstaubzertifizierung von Flugzeugtriebwerken ein. «Aufgrund der Fortschritte bei anderen Emissionsquellen - wie Autos, Lastwagen oder Baumaschinen - war nämlich abzusehen, dass die Luftfahrt künftig zu einem dominierenden Verursacher von Kleinstpartikeln werden könnte, sofern die Triebwerkhersteller keine Gegenmassnahmen einleiten», erläutert Theo Rindlisbacher.Trotz Unterstützung durch die ICAO gestaltete sich der Projektstart schwierig, weil die internationalen Partner anfänglich keinen geeigneten Testbetrieb fanden. Schliesslich konnte das BAZL die im Flugzeugunterhalt tätige Wartungsfirma SR Technics für das Anliegen gewinnen. 2011 wurde an deren Betriebsstandort in Zürich-Kloten ein Prototyp für die Feinstaubmessung von Flugzeugturbinen gebaut. Hier ist es möglich, die ohnehin stattfindenden Testläufe der gewarteten Triebwerke auszunutzen. Allein die Abgastemperatur von bis zu 800 Grad Celsius lässt erahnen, dass die Entwicklung und Herstellung einer einfahrbaren Messsonde zur Ermittlung der Russpartikelemissionen einer besonderen technischen Herausforderung gleichkam.Projekt gewinnt an SchubkraftDie installierte Messanlage gilt inzwischen weltweit als Referenzsystem. Sie gab dem Projekt den nötigen Schub, sodass interessierte Partner und Zertifizierungsstellen aus Europa, den USA und Kanada ihre Fachleute nach Zürich schicken und dort mit den Tests beginnen konnten. An den Messkampagnen im Triebwerkprüfstand von SR Technics sind auch die weltweit bedeutendsten Hersteller von Flugzeugtriebwerken - wie GE Aviation (USA), Rolls Royce (GB), Pratt & Whitney (USA), MTU Aero Engines (D), Honeywell (USA) und SNECMA (F) - stark interessiert. So haben GE Aviation und SNECMA der Prüfanstalt Empa, die das Messsystem heute gemeinsam mit SR Technics und dem BAZL betreibt, für Testzwecke ein rund 14 Mio. CHF teures Triebwerk zur Verfügung gestellt.

Anlage zur Messung der Russpartikelemissionen von Flugzeugturbinen
Anlage zur Messung der Russpartikelemissionen von Flugzeugturbinen. Der hierzulande entwickelte und beim Wartungsunternehmen SR Technics in Zürich-Kloten installierte Prototyp gilt inzwischen weltweit als Referenzsystem. Die Messsonde ist am roten Stahlträger montiert. Sie muss sehr robust sein und Abgastemperaturen von 800 Grad Celsius aushalten.
© BAZL/SR Technics

Partikelzahl und -masse messen

Die Anlage misst im Sekundentakt parallel die Masse der festen Partikel in einem Kubikmeter Abgas sowie deren Anzahl, wobei auch kleinste Teilchen von einigen Nanometern erfasst werden. «Die geplante Einführung der Feinstaubzertifizierung stellt die Weichen für die Entwicklung von praktisch russfreien Flugzeugturbinen», hält Theo Rindlisbacher fest. «Denn die Hersteller nutzen die Messdaten schon bei der Entwicklung neuer Triebwerke für die Optimierung der Verbrennung.»

Dass es technisch möglich ist, gleichzeitig die gesundheitsschädlichen Stickoxide, das Treibhausgas Kohlendioxid sowie den Turbinenlärm zu reduzieren und die ultrafeinen Partikel praktisch zu eliminieren, beweist GE Aviation mit seinem neuen GEnx-Triebwerk. Es verfügt unter anderem über eine Brennkammer mit verbesserten internen Luftströmungen, die den Schadstoffausstoss minimieren. Gemeinsam mit einem Vertreter der US-Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration (FAA) leitet Theo Rindlisbacher vom BAZL im Umweltausschuss der ICAO das internationale Projekt zur Erarbeitung des Feinstaubstandards für Flugzeugtriebwerke. Im September 2014 haben die CAEP-Mitglieder dem Vorschlag zugestimmt, vorerst die Partikelemissionen grösserer Turbinen standardisiert zu ermitteln.Die Grundlagendaten von 25 repräsentativen Triebwerken dienen dann später als Entscheidungsbasis für die geplante Einführung von gesundheits- und klimabezogenen Emissionsgrenzwerten.

Übergangsstandard

Die in einem ersten Schritt als Übergangsstandard geplanten Vorgaben sehen zwar vorläufig keine strengeren Feinstaubbegrenzungen vor als die bisher nach optischen Kriterien geprüfte Russzahl. Die Zertifizierung der Turbinen erzwingt jedoch die Publikation gesundheits- und klimarelevanter Emissionsfaktoren. Dabei haben die Hersteller eingelenkt, neben den neuen nachträglich auch alle grösseren älteren Triebwerke zu zertifizieren, die bis Anfang 2020 noch produziert werden.

Für den Übergangsstandard ist die maximale Massenkonzentration vom Leerlauf bis zur vollen Schubkraft auszuweisen, wobei dafür ein Grenzwert festgelegt wird. Generell hängen Kerosinverbrauch und Schadstoffausstoss eines Flugzeugs stark von der Turbinenleistung, der Flughöhe und der Geschwindigkeit ab, die je nach Flugphase variieren. Für die Berechnung der Emissionen in Bodennähe spielt der Lande- und Startzyklus (Landing/Take-off, LTO) eine entscheidende Rolle. Er umfasst alle Flugbewegungen unterhalb von 3000 Fuss (rund 900 m) über Grund, das heisst die vier Leistungsstufen Anflug und Landung, Rollen am Boden, Start sowie Steigflug im Umkreis von etwa 20 Kilometern rund um einen Flughafen. Für diese vier Leistungsstufen muss im Übergangsstandard ab 2020 die emittierte Partikelanzahl und -masse pro kg Treibstoff nachgewiesen werden. Etwa ab 2023 folgen dann entsprechende Grenzwerte. Auch die jeweiligen Höchstwerte sind auszuweisen, da es Triebwerke gibt, die ihren maximalen Feinstaubausstoss nicht bei vollem Schub erreichen. So entweichen etwa die kleinsten Partikel im Leerlauf am Flughafen.

Internationale Umweltstandards

Voraussichtlich im Februar 2016 soll das neue Kapitel zur Feinstaubzertifizierung im Rahmen des Umweltkomitees CAEP verabschiedet werden. Ein von der Schweiz mitgestalteter Entwurf liegt vor und wird den ICAO-Annex 16 ergänzen, der alle internationalen Umweltstandards für Flugzeuge und Triebwerke festlegt.

Ein wichtiges Kriterium ist dabei immer auch die Betriebssicherheit. «Turbinen müssen sehr robust sein und zum Beispiel unbeschadet durch einen Monsun fliegen oder auch in 10‘000 Metern Höhe noch anspringen können», betont Theo Rindlisbacher. «Wechselnde Betriebsbedingungen und Lastwechsel, wie sie vor allem bei Turbulenzen, Landeanflügen oder Durchstartmanövern auftreten, stellen extrem hohe Anforderungen an die technische Weiterentwicklung der Triebwerke.»

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Letzte Änderung 20.05.2015

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