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Nicht-CO2-Klimaauswirkungen des Luftverkehrs: Kondensstreifen

18. Oktober 2023 Kategorie: Verkehr Arbeitsbereich: CO2-freie kraftstoffe

Um den Beitrag des Luftfahrtsektors zum globalen Klimawandel zu beseitigen, sind zwei große technologische Veränderungen erforderlich. Die erste ist eine umfassende Umstellung von konventionellem, aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Flugbenzin auf eine Reihe klimaverträglicherer Energieträger, darunter Wasserstoff und aus Wasserstoff gewonnene synthetische Drop-in-Kraftstoffe, die in Verfahren mit sehr geringen Netto-Treibhausgasemissionen hergestellt werden, Biokraftstoffe aus Abfallstoffen und Strom aus kohlenstoffarmen oder kohlenstofffreien Stromerzeugern. Die zweite Strategie, auf die sich dieses Briefing Paper konzentriert, ist die Verringerung der Bildung von linienförmigen Wolken in großer Höhe, den so genannten Kondensstreifen. Wie in diesem Papier erörtert, können Kondensstreifen reduziert werden, indem chemische Verbindungen, so genannte Aromaten, aus dem Flugbenzin entfernt werden und Flugzeuge über Regionen der Atmosphäre geleitet werden, die besonders anfällig für die Bildung von Kondensstreifen sind. Um die Dekarbonisierungsziele für die Mitte des Jahrhunderts zu erreichen, muss der Luftfahrtsektor beide Strategien - Treibstoffverlagerung und Kondensstreifenbekämpfung - gleichzeitig verfolgen.

Die Treibhausgasemissionen des Luftverkehrs sind in den letzten Jahrzehnten rapide angestiegen und machen 2019 920 Mio. Tonnen der weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO2) aus fossilen Brennstoffen aus, verglichen mit nur 706 Mio. Tonnen im Jahr 2013. Der Luftverkehr hat jedoch auch andere, nicht CO2-bezogene Auswirkungen auf den Klimawandel, die sich aus NOx-, Wasserdampf- und Aerosolemissionen ergeben. Jüngsten Studien zufolge können diese Nicht-CO2-Effekte einen viel größeren Einfluss auf das Klima haben als die CO2-Emissionen und könnten zwei Drittel der gesamten Auswirkungen des Luftverkehrs auf den Klimawandel ausmachen.

Was sind Kondensstreifen?

Kondensstreifen sind die sichtbaren linienförmigen Wolken, die sich hinter einem Flugzeug bilden, wenn es in großer Höhe fliegt. In typischen Flughöhen (~35000 Fuß / 10000 Meter, obere Troposphäre) treffen Flugzeuge manchmal auf sogenannte eisgesättigte Regionen (ISSR). In diesen Regionen übersteigt die relative Feuchtigkeit in Bezug auf Eis die Sättigung (d. h. sehr kalte und feuchte atmosphärische Bedingungen), und es können sich Zirruswolken aus Eiskristallen bilden. Andererseits führt die unvollständige Verbrennung von Flugzeugtreibstoff im Triebwerk zur Emission einer Reihe von Komponenten wie CO2, H2O, SOx, NOx, CO, anderen Kohlenwasserstoffen und nichtflüchtigen Partikeln (nvPM) wie Ruß. Wenn Wasserdampf und Ruß aus den Flugzeugabgasen in ISSR emittiert werden, wirken die Rußpartikel als Kondensationskerne für den Wasserdampf, gefrieren und bilden Eiskristalle. Wenn die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung hoch ist, wachsen diese Eispartikel weiter und bilden schließlich Kondensstreifen, die in der Luft verbleiben können (siehe Abbildung 1).

Je nach den Feuchtigkeitsverhältnissen in der Atmosphäre können manche Kondensstreifen kurzlebig sein (bis zu 10 Minuten) und bald nach ihrer Entstehung verdunsten, während andere sich kilometerweit ausdehnen und viele Stunden am Himmel bleiben können (langlebige Kondensstreifen). Wenn langlebige Kondensstreifen eine lineare Form beibehalten, werden sie als persistente Kondensstreifen bezeichnet und können bis zu 10 Stunden andauern. Wenn sie eine unregelmäßige Form annehmen, nennt man sie Kondensstreifen-Zirren. Sie sind nicht leicht von natürlich vorkommenden Zirruswolken zu unterscheiden und halten sich über längere Zeiträume.

Kondensstreifen können sich auch außerhalb von ISSR in trockenerer oder wärmerer Luft bilden, aber sie sind nur von kurzer Dauer, bedecken nur kleine Flächen und haben daher nur geringe Auswirkungen auf das Klima. Die Zirruswolken der Kondensstreifen haben einen ähnlichen Einfluss auf unser Klima wie die natürlichen Zirruswolken, die sich in großen Höhen (15000-30000 ft) bilden. Zirruswolken reflektieren einen kleinen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung zurück in den Weltraum und fangen einen großen Teil der Infrarotstrahlung von der Erde ein, was einen Nettoerwärmungseffekt bewirkt, im Gegensatz zum Nettoabkühlungseffekt von niedrigen Wolken (siehe eine vereinfachte Darstellung in Abbildung 2).


Abbildung 1: Bildung von Kondensstreifen

Quelle: Kärcher 2018


Abbildung 2: Einfluss der Wolken auf die Strahlung der Erde

Quelle: NASA


Wie hoch ist der Strahlungsantrieb durch Kondensstreifen?

Der Strahlungsantrieb (RF) ist ein Maß für die Differenz zwischen der ein- und ausgehenden Strahlung der Erde und wird von Wissenschaftlern üblicherweise zur Quantifizierung der globalen Erwärmung verwendet. Wenn ein Klimaantriebsfaktor (z. B. CO2) dazu führt, dass die eingehende Energie größer ist als die ausgehende, erwärmt sich der Planet (positiver RF), und wenn die ausgehende Energie größer ist, kühlt er sich ab (negativer RF).

Klimamodelle haben gezeigt, dass die RF, die mit Kondensstreifen-Zirren assoziiert ist, etwa neunmal größer ist als die RF, die allein von anhaltenden linienförmigen Kondensstreifen ausgeht. Eine kürzlich durchgeführte Studie, in der die RF aus den verschiedenen CO2- und Nicht-CO2-Effekten des globalen Luftverkehrs bewertet wurde, schätzt, dass die RF aus Kondensstreifen-Zirren die größte Komponente von allen ist und größer als die RF aus CO2, die in der gesamten Geschichte des Luftverkehrs akkumuliert wurde, und mehr als die Hälfte des gesamten Strahlungsantriebs in diesem Sektor ausmacht (siehe Abbildung 3). Es ist jedoch auch der Begriff mit der größten Unsicherheit, da er von vielen Faktoren abhängt.


Abbildung 3: Globaler effektiver Strahlungsantrieb (ERF) im Luftverkehr

Quelle: Lee et al. 2021


Aromatengehalt in Flugzeugtreibstoff

Düsenkraftstoff besteht aus n-Paraffinen (oder n-Alkanen), Isoparaffinen, Cycloparaffinen und Aromaten, die annähernd normal über den Kohlenstoffzahlbereich C8 - C16 verteilt sind (siehe Abbildung 4). Die Bildung von Ruß scheint weitgehend mit dem Aromatengehalt im Düsenkraftstoff zusammenzuhängen, der die Rußbildung in den kraftstoffreichen Zonen der Brennkammer fördert. Der Aromatengehalt wiederum hängt von dem Rohöl oder den Rohölmischungen ab, aus denen der Düsenkraftstoff hergestellt wird. Da die Zusammensetzung des Rohöls je nach dem, was eine Raffinerie kauft, stark variiert, kann auch der Aromatengehalt in den verschiedenen Chargen des weltweit gelieferten Düsenkraftstoffs stark schwanken. Die genaue Zusammensetzung des Düsentreibstoffs, der in einem bestimmten Flugzeug verwendet wird, ist im Allgemeinen nicht bekannt, da die verschiedenen Treibstoffchargen in den Lagereinrichtungen des Flughafens gemischt werden. In den internationalen Normen für Düsentreibstoff ist heute ein Höchstwert von 25 Volumenprozent für den Aromatengehalt festgelegt (der tatsächliche Durchschnittsgehalt des in Europa verkauften Düsentreibstoffs liegt bei 15-20 %). Ein Mindestgehalt von 8 % an Aromaten wurde in der Vergangenheit auch aus Sicherheitsgründen festgelegt, da Aromaten dafür bekannt sind, dass sie die Dichtungen aufquellen lassen, was einen besseren Schutz vor Leckagen bietet und Schäden am Kraftstoffsystem vermeidet. In der Branche besteht jedoch kein eindeutiger Konsens über die Notwendigkeit dieses Mindestwerts, und eine Reihe moderner Flugzeuge und Triebwerke verwenden heute Dichtungen, die offenbar keine Aromaten im Kraftstoff erfordern. Darüber hinaus besagt eine Studie des U.S. DOE (Department of Energy) aus dem Jahr 2020, dass Aromaten nur notwendig sind, um das Aufquellen von Dichtungen zu gewährleisten, die zuvor mit aromatenhaltigem Kraftstoff in Berührung gekommen sind, und dass Dichtungen, die zuvor nicht mit Kraftstoff in Berührung gekommen sind, diese nicht benötigen. In der Studie wird auf einen Testflug mit 100 % HEFA in einer Boeing 777 verwiesen, obwohl keine weiteren Einzelheiten genannt werden. Dennoch sollte eine Übergangslösung für die ältere Flotte auf dem Markt gefunden werden, die weiterhin Aromaten benötigt.


Abbildung 4: Zusammensetzung eines durchschnittlichen Jet A1

Quelle: U.S. DOE 2020


Die Aromaten in Düsenkraftstoff bestehen sowohl aus einringigen Molekülen (Monoaromaten) als auch aus zweiringigen Aromaten (Diaromaten) wie Naphthalin. Die Di-Aromaten (z. B. Naphthalin) neigen im Vergleich zu den Mono-Aromaten und den paraffinischen Kohlenwasserstoffen am stärksten zur Rußbildung bei der Verbrennung. Der Einfluss von Naphthalin wurde in einer DLR-NASA-Kampagne im Jahr 2021 nachgewiesen, bei der die Abgase eines A320, der mit verschiedenen Kerosinarten verbrannt wurde, gemessen wurden. Einige der getesteten Kraftstoffe hatten einen ähnlichen Gesamtgehalt an Aromaten, aber einen unterschiedlichen Naphthalin-Gehalt. Der Kraftstoff mit dem niedrigsten Naphthalin-Gehalt wies die geringste Rußbildung und die niedrigste Eispartikelzahl auf (~8 % weniger Ruß bei 0,3 % weniger Naphthalin), verglichen mit anderen Kraftstoffen mit höherem Naphthalin-Gehalt. Eine frühere Studie, die an einem Turbofan-Triebwerk durchgeführt wurde, zeigte eine ~3%ige Verringerung der Rußbildung bei einer 0,3%igen Substitution von Naphthalin durch Monoaromaten bei 65% Triebwerksschub (typisch für den Reiseflug, wo sich Kondensstreifen bilden). Bei 100 % Schubkraft (typisch für den Start) war die Wirkung von Naphthalin nicht zu unterscheiden. Auch der Triebwerksbetrieb wirkt sich auf die Rußproduktion aus, insbesondere das Kraftstoff-Luft-Verhältnis sowie Verbrennungsdruck und -temperatur. Bei hohem Schub haben andere Produkte der unvollständigen Verbrennung einen größeren Einfluss auf die Rußbildung als Aromaten, während Aromaten bei niedrigerem Schub an Bedeutung gewinnen. Diese Tests deuten darauf hin, dass ein Düsenkraftstoff, der die von den derzeitigen Normen für Düsenkraftstoff geforderte Mindestspezifikation an Monoaromaten enthält (geeignet für die alte Flotte), aber kein Naphthalin enthält, die Rußbildung bereits erheblich reduzieren würde. Die Normen für Düsenkraftstoff legen derzeit einen Höchstwert von 3 Volumenprozent Naphthalin fest, wobei der tatsächliche Gehalt in dem in Europa verkauften Düsenkraftstoff im Durchschnitt bei 2 bis 3 Prozent liegt.

Nach Schätzungen von Forschern kann die Verbrennung von Flugbenzin mit niedrigem Aromatengehalt die Rußbildung um 50-70 % verringern (wobei die größte Verringerung auf einen niedrigen Naphthalin-Gehalt zurückzuführen ist). Eine 80-prozentige Verringerung der Rußpartikel in den Abgasen eines Flugzeugs wiederum könnte die Bildung von Kondensstreifen um 50 % reduzieren, obwohl die Größenordnung des Effekts mit großer Unsicherheit behaftet ist und bessere Messungen und Modellierungen erfordert. Wenn die Rußkonzentration niedrig ist, bilden sich weniger und größere Eiskristalle, was die Sedimentationsrate erhöht und somit die Lebensdauer des Kondensstreifens und seine Gesamt-HF verringert. Daher würde eine Senkung des Aromaten- und insbesondere des Naphthalin-Gehalts im Flugzeugtreibstoff die Bildung von Kondensstreifen verringern.

Wie können nachhaltige Flugkraftstoffe dazu beitragen, Kondensstreifen zu reduzieren?

Nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) ist ein Oberbegriff für eine Reihe nachhaltig erzeugter, nicht fossiler Kraftstoffe, die im Allgemeinen mit bestehenden Düsentriebwerken und Kraftstofflagertechnologien kompatibel sind, da ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften denen von herkömmlichem Düsenkraftstoff sehr nahe kommen. SAF, die aus Biomasse oder aus Power-to-Liquid-Systemen (PtL) hergestellt werden können, enthalten praktisch keine Aromaten und erzeugen daher bei der Verbrennung deutlich weniger Ruß als herkömmlicher Düsenkraftstoff. Dies bedeutet, dass die Verwendung von SAF eine ähnliche Wirkung hätte wie die Senkung des Aromatengehalts in herkömmlichem Düsenkraftstoff.

Wie im Bericht 2022 von CATFerörtert, werden Biokraftstoffe allein nicht in der Lage sein, den gesamten Bedarf an Flugkraftstoff zu decken, da die Biomasse-Rohstoffe begrenzt sind und es andere konkurrierende Verwendungszwecke gibt (Pkw und Lkw verbrauchen derzeit den größten Teil der aus Biomasse gewonnenen Kraftstoffe, aber die Nachfrage in der Schifffahrt, der Schwerindustrie und im Energiesektor steigt). In der Zwischenzeit stecken PtL noch in den Kinderschuhen und es wird einige Zeit dauern, bis sie sich durchsetzen. Das knappe SAF, das heute für die Beimischung zu herkömmlichem Düsenkraftstoff zur Verfügung steht, kann dazu beitragen, die Rußbildung zu verringern. So wurde beispielsweise festgestellt, dass eine 50%ige HEFA-Beimischung zu herkömmlichem Düsenkraftstoff die Rußbildung um 50-70% reduziert. Da SAF einen höheren Wasserstoffgehalt als herkömmlicher Düsenkraftstoff hat, kann es aufgrund der höheren Menge an Wasserdampfemissionen, die bei der Verbrennung entstehen, auch das Auftreten von Kondensstreifen erhöhen. Der Effekt des vermehrten Auftretens von Kondensstreifen wird jedoch durch die geringeren Rußemissionen mehr als ausgeglichen. Würden beispielsweise alle Flüge in der nordatlantischen Region mit 100 % SAF betrieben, so würde das Auftreten von Kondensstreifen um 5 % zunehmen, der Rußausstoß jedoch um 52 % sinken. Daraus ergibt sich ein jährlicher Rückgang des Nettostrahlungsantriebs von etwa -44 %.

Wenn die Mindestspezifikation von 8 % Aromaten im Düsenkraftstoff eingehalten wird, können 100 % SAF, die keine Aromaten enthalten, (noch) nicht als Düsenkraftstoff verwendet werden. Um mit 100 % SAF fliegen zu können, müssen die Aromaten so gemischt werden, dass das Gemisch die Mindestvorgabe von 8 % Aromaten erfüllt. Dies kann durch die Mischung von SAF mit konventionellem Düsentreibstoff erreicht werden (z. B. würde eine 50/50-Mischung von SAF (~0% Aromaten) mit konventionellem Düsentreibstoff (~20% Aromaten) einen Gesamtaromatengehalt von ~8-9% aufweisen), obwohl die Mischung noch etwas Naphthalin aus dem fossilen Düsentreibstoff enthalten würde. Alternativ könnten die Hersteller versuchen, die am wenigsten schädlichen Aromaten (Monoaromaten) unter Vermeidung von Naphthalin zu synthetisieren und sie mit SAF zu mischen, um die Normen zu erfüllen. Wenn das Ziel darin besteht, ausschließlich mit SAF zu fliegen, müssen diese Aromaten aus nicht fossilen Quellen hergestellt werden. Ein Beispiel dafür finden wir bei Virent. Mit seiner Bioforming-Technologie produziert Virent synthetische erneuerbare Aromaten (Synthesized Aromatic Kerosene oder SAK mit 98 % Monoaromaten und nur 0,1 % Naphthalin) aus pflanzlichen Zuckern, die SAF zugesetzt werden können, um den gleichen Aromatengehalt wie in herkömmlichem Düsenkraftstoff zu erreichen, ohne dass fossiler Düsenkraftstoff beigemischt werden muss, um die Normen zu erfüllen. Die Mischung kann so angepasst werden, dass sie alle Spezifikationen von Düsenkraftstoff erfüllt und als Drop-in-Kraftstoff für 100%ige SAF-Flüge verwendet werden kann. Virent behauptet, dass in einer Reihe von Flugtestkampagnen in unterschiedlichen Höhen und Mischungsverhältnissen eine 50-70%ige Rußreduzierung erreicht wurde, ähnlich der Rußreduzierung, die durch die Mischung von SAF mit fossilem Treibstoff erzielt wurde. Es ist erwähnenswert, dass die meisten der in den letzten Jahren angekündigten 100%igen SAF-Flüge von dieser Art sind. Nur wenige davon werden mit 100% reinem paraffinischem SAF (d.h. ohne Zusatz von Aromaten) durchgeführt, in der Regel mit neuen Flugzeugen, die keine Aromaten benötigen.

Neben der Verringerung von Kondensstreifen kann SAF auch die CO2-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichem Düsenkraftstoff reduzieren. Die gesamten Lebenszyklusemissionen von SAF müssen bewertet werden, um sicherzustellen, dass die Vorteile der Kondensstreifenreduzierung nicht durch erhöhte Emissionen bei der SAF-Produktion und -Lieferung aufgewogen werden (z. B. höherer Energieverbrauch für die Wasserstoffproduktion und Kraftstoffsynthese, lange Transportwege usw.).

Werden Wasserstoffflugzeuge das Ende der Kondensstreifen bedeuten?

Über SAF hinaus könnte Wasserstoff langfristig eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der Luftfahrt spielen. In den nächsten 10-15 Jahren könnten wasserstoffbetriebene Pendler-, Regional- und Kurzstreckenflugzeuge kommerziell verfügbar sein. Die ersten beiden würden Brennstoffzellen verwenden, während Kurzstreckenflugzeuge durch ein Hybridsystem aus Brennstoffzellen und Wasserstoffturbinen angetrieben werden könnten, wobei die Brennstoffzelle im Reiseflug und die Turbinen beim Start eingesetzt werden, um den erforderlichen höheren Schub zu erzeugen. In dem Maße, in dem Wasserstoff in der Luftfahrt zu einer machbaren Option wird, ist die Frage nach der Bildung von Kondensstreifen durch wasserstoffbetriebene Flugzeuge berechtigt. Das Hauptnebenprodukt von Wasserstoff-Brennstoffzellen ist Wasserdampf, während Wasserstoffturbinen sowohl Wasserdampf als auch Stickoxide erzeugen. Die Wasserdampfemissionen sind bei wasserstoffbetriebenen Flugzeugen 4,3-mal so hoch wie bei konventionellem Düsentreibstoff. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass die von Kondensstreifen bedeckte Fläche bei Flugzeugen mit Flüssigwasserstoffverbrennung und Brennstoffzellenantrieb voraussichtlich um 70 % zunehmen wird. Da jedoch kein Ruß erzeugt wird, wären die entstehenden Eiskristalle größer, und es gäbe weniger von ihnen. Wie in den Fällen von Düsentreibstoff mit niedrigen Aromaten und SAF ist die Sedimentationsrate bei großen Eiskristallen schneller, was zu kurzlebigen Kondensstreifen führt. Der Nettoeffekt ist eine Verringerung der Kondensstreifen-Zirren um ~25 % bzw. ~20 % bei Wasserstoffturbinen und Brennstoffzellen im Vergleich zu herkömmlichen Kerosinflugzeugen. Es sind jedoch weitere Analysen und Flugmessungen erforderlich, um eine bessere Charakterisierung von Wasserstoffkontrails zu erhalten. Im Rahmen der ZEROe-Roadmap von Airbus hat das Unternehmen 2022 in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Testprogramm "Blue Condor" gestartet, um die von Wasserstoff- und Kerosinturbinen gebildeten Kondensstreifen zu vergleichen und die Auswirkungen zu erhellen. Im März 2023 starteten Airbus und das DLR außerdem die neue VOLCAN-Flugtestkampagne, um Informationen über die Nicht-CO2-Emissionen und die Bildung von Kondensstreifen einer zu 100 % mit SAF betriebenen A321neo zu sammeln.

Wie können die Aromaten in den Raffinerien für konventionelles Kerosin?

Aromaten in Kraftstoffen können durch ein Verfahren namens Hydrotreatment reduziert werden. Dieses Verfahren wird bereits häufig zur Verringerung und Entfernung von Schwefel und Aromaten in Dieselkraftstoff eingesetzt. Beim Hydrotreatment wird Wasserstoff verwendet, um die aromatischen Kohlenwasserstoffe im Kraftstoff in Gegenwart eines Katalysators zu sättigen. Durch dieses Verfahren wird auch der Schwefelgehalt des Kraftstoffs gesenkt, was als positiver Nebeneffekt die Luftqualität verbessert (durch die Verringerung der SOx-Bildung und damit die Reduzierung des sauren Regens). Unbehandelter Diesel hat einen deutlich höheren Gehalt an Mono-, Di- und Tri-Aromaten. Es stehen Katalysatoren und Technologien zur Verfügung, mit denen der Gesamtaromatengehalt von Diesel bei Bedarf erheblich reduziert werden kann. Dieselben Katalysatoren und Technologien können auch zur Verringerung des Aromatengehalts in Düsenkraftstoff eingesetzt werden (z. B. bis auf 8 % Aromaten und nahezu 0 % Naphthalin). Es ist jedoch zu beachten, dass die Reduzierung von Aromaten/Naphthalin während des Hydrotreatment-Prozesses die folgenden Konsequenzen für Raffinerien hat:

  1. Für die Sättigung von Monoaromaten sind strengere Bedingungen (z. B. höhere Drücke, geringere Zufuhrraten) erforderlich. Die meisten Kerosin-Hydrobehandlungsanlagen in Raffinerien arbeiten jedoch unter relativ milden Bedingungen, um Schwefel zu entfernen und/oder die Farb- und Lagerstabilität zu verbessern. Dies bedeutet, dass Investitionen erforderlich sind, um die bestehenden Anlagen zu modernisieren oder neue Anlagen zu bauen, die mit einem höheren Härtegrad arbeiten.
  2. In einigen bestehenden Anlagen könnte es möglich sein, die Betriebsintensität zu erhöhen, um die Aromaten weiter zu reduzieren, aber aufgrund der strengeren Betriebsbedingungen wird mehr Katalysator benötigt, um die gleiche Kerosinproduktionsrate und Katalysatorlaufzeit aufrechtzuerhalten; ohne eine Erhöhung der Katalysatormenge wäre ein häufigerer Austausch von frischem Katalysator erforderlich; es könnte konstruktive und metallurgische/betriebliche Einschränkungen im Hydrobehandlungsreaktor aufgrund einer höheren Wärmefreisetzung infolge einer stärkeren Aromaten-Sättigung geben.
  3. Je höher die Sättigung mit Aromaten, desto mehr Wasserstoff wird benötigt. Es wird geschätzt, dass 7-8 mal mehr Wasserstoff benötigt wird, um ein Kerosin mit 20% Aromaten auf 8% zu reduzieren.

Die Versorgung mit Wasserstoff kann eine der Herausforderungen bei der Aromatenreduzierung sein, da er ein kostspieliges Element der Raffination ist und die meisten Raffinerien in der Regel unterversorgt sind. Bei der derzeitigen Wasserstoffproduktion werden auch erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt, die durch kohlenstoffarme Wasserstoffproduktionsmethoden reduziert werden müssen (z. B. Elektrolyseure, die mit kohlenstoffarmer Elektrizität betrieben werden, oder die Anwendung von CO2-abscheidung und Speicherung bei Erdgasreformierungsprozessen sowie strenge vorgelagerte Methanemissionskontrollen zur Minimierung von Leckagen). Wie bereits erwähnt, müsste auch die Menge des für die Hydrotreating-Behandlung von Kerosin verwendeten Katalysators erhöht werden, um die gleiche Produktionsrate von Düsenkraftstoff in der Raffinerie aufrechtzuerhalten. Dies könnte durch den Kauf weiterer Reaktoren (oder die Modernisierung stillgelegter Reaktoren) oder durch einen häufigeren Austausch des Katalysators geschehen, was eine häufigere Abschaltung der Anlage erfordern würde, was die Produktionskosten erhöhen würde.

Aus wirtschaftlicher Sicht dürfte der Katalysatoraustausch, der erforderlich ist, um einen niedrigeren Aromatengehalt in Düsenkraftstoff zu erreichen, keine größeren Auswirkungen auf die Raffinerien haben. Die typische Zyklusdauer von Hydrotreatern für Flugturbinenkraftstoff liegt heute zwischen vier und sechs Jahren; nach dieser Zeit müssen die Katalysatoren ausgetauscht werden. Eine weitere Reduzierung des Aromatengehalts würde diese Zyklusdauer auf zwei bis drei Jahre verkürzen, ähnlich wie bei Dieselanlagen. Außerdem ist die Menge der in Kerosinanlagen eingesetzten Katalysatoren wesentlich geringer als bei Dieselanlagen. Dennoch wären in den Raffinerien zeitliche und finanzielle Investitionen erforderlich, um den Aromatengehalt in Flugturbinenkraftstoff zu verringern, und derzeit gibt es keine rechtlichen oder finanziellen Anreize, um den Anteil dieser Komponenten weiter zu senken. Ungeachtet der Vorteile für die Umwelt und des geringfügig höheren Energiegehalts eines aromatenarmen Kraftstoffs gibt es für die Fluggesellschaften möglicherweise keine nennenswerten Anreize, den teureren Kraftstoff
zu kaufen. Die Begrenzung und Überwachung des Aromatengehalts würde die Einführung neuer Vorschriften und Strategien erfordern. Wenn jedoch nicht richtig vorgegangen wird, besteht die Gefahr, dass die Kraftstoffhersteller beschließen, nicht auf den regulierten Märkten zu verkaufen, was zu Kraftstoffknappheit führt, oder dass die Fluggesellschaften beschließen, auf Flughäfen außerhalb der regulierten Regionen zu tanken.

Schließlich ist zu bedenken, dass sich eine Senkung des Aromatengehalts in fossilem Düsenkraftstoff auf die SAF-Mischungsraten auswirken würde. Wie oben erläutert, würde eine 50%ige SAF-Mischung mit fossilem Flugturbinenkraftstoff, der typischerweise ~20% Aromaten enthält, eine Kraftstoffmischung mit einem Gesamtanteil von ~8-9% Aromaten ergeben. Die Beimischung eines fossilen Düsenkraftstoffs mit niedrigem Aromatengehalt von ~10% (die Hälfte des typischen Gehalts) zu SAF würde einen Kraftstoff ergeben, dessen Gesamtaromatengehalt deutlich unter dem Mindestwert von 8% liegt. Dies würde die Menge an SAF begrenzen, die einem fossilen Düsenkraftstoff beigemischt werden kann, der zur Aromatenreduzierung hydrobehandelt wurde. Fossiler Düsenkraftstoff wird mittelfristig weiterhin Teil des Luftverkehrsmarktes sein, bis andere skalierbare, nicht auf Biomasse basierende SAF-Optionen verfügbar werden. Die Reduzierung der Kondensstreifen kann jedoch nicht warten, bis der Flugzeugtreibstoffmarkt zu 100 % SAF wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, parallel zur Entwicklung von 100 % SAF und SAF-Mischungen die Kondensstreifenvorläufer in fossilem Düsenkraftstoff zu reduzieren. Eine weitere Analyse verschiedener Szenarien, die alte und moderne Flugzeuge, SAF, fossilen Flugturbinenkraftstoff mit niedrigem Aromatengehalt und erneuerbare Monoaromaten umfassen, würde mehr Klarheit über die verschiedenen Wege und ihre Durchführbarkeit schaffen, auch unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit von Biomasse. Die unmittelbarste und konservativste Lösung in Anbetracht aller Unbekannten wäre eine Reduzierung des Naphthalinanteils in fossilem Düsenkraftstoff auf ~0 %.

Atmosphärische Faktoren, die die Bildung von Kondensstreifen beeinflussen

Die Bildung von Kondensstreifen hängt nicht nur von der Menge des vom Flugzeug ausgestoßenen Rußes ab, sondern auch von den atmosphärischen Bedingungen. Die Anzahl der anfänglich gebildeten Eiskristalle ist proportional zur Anzahl der ausgestoßenen Rußpartikel, aber die atmosphärischen Bedingungen bestimmen die Bildung und Dauer des Kondensstreifens. Schätzungen zufolge sind nur ~12 % aller Flüge über dem Nordatlantik für 80 % des jährlichen Energieeintrags durch Kondensstreifen verantwortlich. Abgesehen von der Rußmenge in den Abgasen werden stark erwärmende/abkühlende Kondensstreifen mit Faktoren wie jahreszeitlichen Veränderungen der Strahlung und Meteorologie, der Tageszeit und der Hintergrundbewölkung in Verbindung gebracht. In der nordatlantischen Region scheinen sich stark wärmende Kondensstreifen häufiger nachts, im Winter und über tief hängenden Wolken zu bilden. So reflektieren Kondensstreifen tagsüber einen Teil der Sonnenenergie zurück in den Weltraum und tragen so zur Abkühlung bei - ein Effekt, der in der Nacht nicht auftritt. Im Winter sind die ISSR in dieser Region größer, wodurch sich die Zeitspanne, in der ein Transatlantikflug Kondensstreifen erzeugen kann, verlängert. ISSR sind in der Regel einige hundert Meter dick und können sich über Dutzende bis Hunderte von Kilometern erstrecken.

Eine Flugroutenoptimierung zur Vermeidung dieser Regionen, in denen sich große und lang anhaltende Kondensstreifen bilden können, kann durch eine effektive Flugplanung erreicht werden. Atmosphärische Daten (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) und gute Vorhersagemodelle können genutzt werden, um die Lage von ISSR zu identifizieren und vorherzusagen und die Flugrouten entsprechend abzuändern. Im Jahr 2021 führte das Maastricht Upper Area Control Centre (MUAC) von EUROCONTROL in Zusammenarbeit mit dem DLR den weltweit ersten operationellen Versuch durch, um die Durchführbarkeit der Verhinderung von Kondensstreifen durch Fluglotsen zu untersuchen. Der Versuch lief von Januar bis Dezember 2021 zwischen 3pm und 5am UTC (wenn die Wahrscheinlichkeit der Kondensstreifenbildung höher ist) und deckte den MUAC-Luftraum (Belgien, Luxemburg, die Niederlande und Nordwestdeutschland) ab, der von 16% aller Flüge durch Europa genutzt wird. Ziel des Versuchs war es, festzustellen, ob die Bildung von Kondensstreifen mit angemessener Genauigkeit vorhergesagt werden kann, und die Verfahren zur Vermeidung hartnäckiger Kondensstreifen in Echtzeit durch Änderung der Flughöhe zu testen. Während des Versuchs wurden die Flüge taktisch aufgefordert, ihre Flughöhen auf der Grundlage der ISSR-Vorhersagen zu ändern (~2000 Fuß / 600 Meter nach oben oder unten). Trotz des geringen Luftverkehrsaufkommens im Jahr 2021 aufgrund der COVID-19-Pandemie zeigten die Ergebnisse des Versuchs, dass die Verhinderung von Kondensstreifen operationell machbar ist, obwohl eine bessere ISSR-Vorhersage erforderlich ist. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass die Umleitung von Flugstrecken mit einem höheren Treibstoffverbrauch verbunden ist, was sich in höheren Kosten für die Fluggesellschaft niederschlägt. Ein höherer Treibstoffverbrauch erhöht auch die CO2-Emissionen, so dass die Abwägung zwischen der Vermeidung von Kondensstreifen und höheren CO2-Emissionen in jedem Einzelfall sorgfältig analysiert werden muss. Eine andere von einigen Forschern vorgeschlagene Lösung besteht darin, die knappe SAF für den kleinen Teil der Flüge zu verwenden, die die stärksten wärmenden Kondensstreifen verursachen. Diese intelligente Zuteilung (z.B. Anwendung einer 50%igen Mischungsrate auf 2% der Flüge, die mit den am stärksten wärmenden Kondensstreifen in Verbindung gebracht werden) würde den Klimanutzen um das 9-15fache erhöhen.

Welche Maßnahmen können ergriffen werden, um Kondensstreifen zu reduzieren?

Kondensstreifen aus der Luftfahrt erwärmen den Planeten im Durchschnitt doppelt so stark wie CO2-Emissionen. Trotz der großen Unsicherheiten bei den Schätzungen des Strahlungsantriebs steht fest, dass Kondensstreifen einen positiven Nettoerwärmungseffekt in der Atmosphäre haben, ähnlich dem von Zirruswolken. Die beiden Faktoren, die für die Bildung von Kondensstreifen verantwortlich sind, sind die aus den Triebwerksabgasen emittierte Rußmenge und die atmosphärischen Bedingungen während des Flugs. Eine optimierte Flugplanung kann dazu beitragen, die Bildung von Kondensstreifen zu verringern, indem ISSR vermieden wird, wo die hartnäckigsten Kondensstreifen entstehen. Es hat sich gezeigt, dass ISSR vorhergesagt und die Bildung von Kondensstreifen vermieden werden kann, obwohl eine höhere Genauigkeit bei der Modellierung erforderlich ist. Um die Rußbildung zu verringern, können die Raffinerien die Menge an Aromaten (insbesondere Naphthalin) im Düsenkraftstoff reduzieren oder die Fluggesellschaften können SAF verwenden, das einen geringen Gehalt an Aromaten aufweist.

Gesetzgeber auf der ganzen Welt sollten als kurzfristige Maßnahme Maßnahmen zur Umsetzung angemessener Überwachungsregeln und Begrenzungen des Aromatengehalts in Flugzeugtreibstoff einführen und gleichzeitig Maßnahmen vorantreiben, die den Einsatz klimaverträglicher Formen von SAF fördern oder vorschreiben. Dies könnte durch eine Änderung der Flugkraftstoffnormen (z. B. ASTM) oder durch die Schaffung neuer Normen geschehen. Die Nicht-CO2-Effekte werden in einigen Regionen allmählich untersucht, vor allem um unser Verständnis der Auswirkungen zu verbessern.

Gemäß der kürzlich überarbeiteten EU-ETS-Richtlinie müssen die EU-Flugzeugbetreiber ab 2025 die Nicht-CO2-Effekte jedes von ihnen betriebenen Flugzeugs überwachen und melden. Auf der Grundlage der gesammelten Daten kann die Europäische Kommission einen Legislativvorschlag zur Einbeziehung von Nicht-CO2-Emissionen in den Geltungsbereich des EU-Emissionshandelssystems vorlegen. Das überarbeitete ReFuelEU Aviation sieht außerdem vor, dass die Treibstofflieferanten ab 2025 über den Gehalt an Aromaten und Naphthalin in dem auf EU-Flughäfen gelieferten Flugkraftstoff Bericht erstatten müssen. Die gesammelten Daten werden dazu dienen, das Wissen über Nicht-CO2-Effekte zu verbessern. Im Vereinigten Königreich konzentriert sich eine der sechs Maßnahmen, die im Rahmen der Jet-Zero-Strategie eingeführt wurden, auf die enge Zusammenarbeit mit der Wissenschaft und der Industrie, um ein besseres Verständnis der Wissenschaft und der potenziellen Abschwächung der Nicht-CO2-Auswirkungen zu erreichen.

In ähnlicher Weise leitet die US-Luftfahrtbehörde (FAA) ein Forschungsprogramm, das darauf abzielt, das wissenschaftliche Verständnis von Nicht-CO2-Emissionen und deren Auswirkungen zu verbessern. Während ein Großteil dieser Forschung Satellitenmessungen umfasst, wird die FAA "auch Flugmessungen von Kondensstreifen und Industriepartner unterstützen, um die Leistung [eines Vorhersageinstruments] zu bewerten und zu validieren, damit das Instrument in größerem Umfang eingesetzt werden kann". Die Einführung von SAF zur Reduzierung von Kondensstreifen in den Vereinigten Staaten könnte durch die Steuergutschrift für nachhaltigen Flugkraftstoff im Rahmen des Inflation Reduction Act von 2022 gefördert werden, die den Herstellern von qualifiziertem SAF Steuergutschriften im Wert von 1,25 bis 1,75 US-Dollar pro Gallone gewährt, je nach Kohlenstoffintensität des Kraftstoffs.

Sowohl in Europa als auch in den Vereinigten Staaten muss weiter an der möglichen Entwicklung von Strategien und anderen Maßnahmen gearbeitet werden, die Flugzeuge dazu ermutigen oder verpflichten, ISSR nach Möglichkeit zu vermeiden und/oder den Einsatz von SAF auf den Flugrouten zu priorisieren, die für die meiste Kondensstreifenbildung verantwortlich sind. Die Wirksamkeit dieser beiden Strategien hängt jedoch von der Fähigkeit der Flugplaner ab, die Lage der ISSR vorherzusagen. Daher sind weitere Forschungsarbeiten von Regierungsbehörden wie dem DLR in Deutschland und der NASA in den USA erforderlich, um die Instrumente und Techniken zur Vorhersage von ISSR zu verbessern.

CATF hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen durch rigorose Analysen, Gestaltung der öffentlichen Politik, öffentliche Aufklärung und Interessenvertretung. Im Rahmen dieser Bemühungen untersucht CATF die Möglichkeiten bestehender Raffineriesysteme, um die Vorläufersubstanzen für Kondensstreifen in Flugzeugtreibstoff auf das mit den derzeitigen Technologien erforderliche Niveau zu reduzieren.

Wichtige Maßnahmen zur Reduzierung von Kondensstreifen

  • Umsetzung des MRV-Rahmens in Rechtsvorschriften zur Überwachung der Bildung von Kondensstreifen
  • Durchsetzung einer Begrenzung des Aromatengehalts (insbesondere Naphthalin) in Düsenkraftstoffstandards
  • Beschleunigung des Übergangs zu SAF, die von Natur aus arm an Aromaten sind
  • Änderung der Flugrouten , um atmosphärische Regionen zu meiden, in denen sich stark erwärmende Kondensstreifen bilden können