Klimaschädliche Schadstoffemissionen durch Kerosin
Die Treibstoffspezifikation Jet A-1 ist die genaue Bezeichnung des fossilen Flugzeugtreibstoffs Kerosin. Kerosin ist für zivile und auch militärische Flugzeuge der Haupttreibstoff und enthält eine große Anzahl an Chemikalien. Kerosin ist ein fossiler Energieträger und wird neben Benzin, Heizöl und Bitumen mithilfe eines Destillationsprozesses aus Erdöl gewonnen. Damit Kerosin als Flugkraftstoff verwendet werden kann, müssen noch einige Zusätze hinzugemischt werden, unter anderem Phenolverbindungen, Vereisungs- oder auch Rostschutzmittel. Wenn Kerosin verbrannt wird, entstehen die beiden Hauptverbrennungsprodukte CO2 und Wasser (H2O). Daneben entstehen noch weitere Nebenprodukte, die entweder unmittelbar schädlich sind, oder zur Bildung anderer schädlicher Stoffe beitragen. Stickoxide (NOx) und unverbrannter Kohlenwasserstoff (UHC) sind Vorläufersubstanzen für den Sommersmog. Sommersmog wird auch Photochemischer Smog genannt, welcher aus einem komplexen Gemisch an unterschiedlichen reaktiven Substanzen besteht. Einerseits Ozon, das Augen und Schleimhäute reizt und andererseits aus weiteren Reizstoffen, unter anderem Acrolein und Formaldehyd. Bei sonnigem, warmem Wetter können hohe Ozonkonzentrationen erreicht werden. Die Energie für die chemische Umsetzung der Vorläuferverbindungen kommt hierbei aus dem Sonnenlicht. Das Wort Smog kommt aus dem englischen und setzt sich aus smoke (Rauch) und fog (Nebel) zusammen. Wie in der Abbildung dargestellt ist, führt die Verbrennung von Kerosin in den Triebwerken zu folgenden Schadstoffemissionen: Ruß, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid, Stickoxid, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Jeder der Schadstoffe hat verschiedene Auswirkungen auf Umwelt, Mensch und Tier. Es gibt gesundheitliche Schäden wie z.B. Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen, die durch Sauerstoffmangel verursacht werden. Es können saure Niederschläge und Waldschäden auftreten oder auch Schwebestoffe, die Allergien hervorrufen können. Die Schadstoffe enthalten zusätzlich giftige Schwermetalle und Ruß.
Emittierte Schadstoffe |
Abkürzung |
Merkmale des Schadstoffes |
Ausgestoßene Mengen (Minimal und maximal) |
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|
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Ruß |
C |
Staub, Ruß, Allergien |
0,01g-0,03g |
Kohlenwasserstoffe |
UHC |
Sommersmog |
0,1g-0,7g |
Kohlenstoffmonoxid |
CO |
Sauerstoffmangel |
0,7g-2,5g |
Schwefeldioxid |
SO2 |
Saurer Regen |
1g |
Stickoxid |
NOx |
Sommersmog, saurer Regen |
6g-16g |
Wasser |
H2O |
Zusätzlicher Treibhauseffekt |
1240g |
Kohlenstoffdioxid |
CO2 |
Zusätzlicher Treibhauseffekt |
3150g |
Abbildung: Schadstoffemissionen aus der Verbrennung eines Kilogramms Kerosin
Gut zu erkennen ist in der vorliegenden Abbildung auch, dass bei einem ausgestoßenem Kilogramm Kerosin Wasser und Kohlenstoffdioxid mit einem Anteil von 1240 g und 3150 g den größten Anteil einnehmen. Den geringsten Anteil haben Ruß mit 0,01 g - 0,03 g pro kg Kerosin und unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit 0,1 g - 0,7 g. Die ausgestoßenen Schadstoffe haben dabei eine unterschiedliche Lebensdauer in der Atmosphäre. So kann CO2 noch 50 bis 200 Jahre, und H2O mehrere Wochen in der Atmosphäre nachgewiesen werden. Da CO2 ein langlebiges Treibhausgas ist und der Mensch davon weit mehr als von anderen Stoffen produziert, ist der Begriff am stärksten mit dem Klimawandel verbunden. CO2 ist ein farb- und geruchloses Gas , ohne das Pflanzen keine Photosynthese betreiben können. Ohne die Existenz von CO2 hätte der Mensch somit keinen Sauerstoff zum Atmen und es würde keine schützende Ozonschicht geben. Es gibt den natürlichen und den anthropogenen Treibhauseffekt, letzterer wird durch den Menschen verursacht. Durch den natürlichen Treibhauseffekt beträgt die durchschnittliche Oberflächentemperatur unserer Erde 15°C, ohne den Effekt wären es -18°C. Die 33°C Unterschied werden als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Durch die Verbrennung von beispielsweise fossilen Energieträgern, wie Kerosin, nimmt der Effekt zu und der Planet erwärmt sich (anthropogener Treibhauseffekt). Die Erde sendet natürliche Infrarotstrahlungen aus, welche für den Treibhauseffekt die entscheidende Rolle spielen. Die Strahlungen werden von bestimmten Gasen absorbiert und wieder in alle Richtungen abgegeben. Dadurch entsteht ein Wärmestau in der Atmosphäre, die langwellige Infrarotstrahlung kann nicht vollständig ins Weltall entweichen.
Ein weiterer Begriff, der oft mit Kerosin in Verbindung gebracht wird, ist Fuel Dumping, also der sogenannte Treibstoffschnellablass. Falls sich ein Flugzeug in einer Notfallsituation befindet, so muss gegebenenfalls Kerosin abgelassen werden, damit bei der Landung das höchstzulässige Landegewicht erreicht wird. Gründe dafür sind technische Probleme oder auch das Erkranken eines Passagiers, also Situationen, in denen der Flug frühzeitig abgebrochen werden muss. Das Ablassen des Kerosins erfolgt, wenn möglich in großen Höhen und über Gebieten mit einer geringen Besiedelungsdichte. Auf dem Weg zur Erdoberfläche wird das Kerosin weiträumig verteilt und verdunstet, wodurch am Boden bislang keine Umweltbelastungen nachgewiesen werden können. Die Flughöhe bei Ablass beträgt mindestens 1.500 Meter, klassisch liegt die Höhe zwischen vier und acht Kilometern. Rein rechnerisch gesehen müssen bei einem Ablassvorgang in 1.500 Metern und bei 15°C Lufttemperatur aber acht Prozent des Kerosins den Erdboden erreichen. Fuel Dumping betrifft nur Langstreckenflugzeuge, Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge besitzen keine Ablassvorrichtung, da sie auch mit ihrem Vollgewicht sicher landen können.
Der Luftverkehr gerät wegen seiner Schadstoffemissionen zunehmend in Kritik, dabei trägt er im Jahr 2008 mit nur zwei Prozent zu den menschengemachten Treibhausgasemissionen bei. Im Jahr 2019 sind es schon 2,7% (beide Werte jeweils ohne Berücksichtigung des folgend erläuterten RFI). Bei Flugzeugen ergibt sich allerdings noch eine weitere Herausforderung. Die Flughöhe beträgt hier neun Kilometer oder mehr, wodurch im Vergleich zum Boden weitere Klimaeffekte dazukommen. Der Flugverkehr ist dadurch nicht nur auf die Problematik des CO2-Ausstoßes begrenzt. Die tatsächliche Klimabelastung der Schadstoffemissionen wird durch ein physikalisches Phänomen beeinflusst, das nachfolgend beschrieben wird: Der sogenannte Strahlungsantrieb, im Englischen Radiative Forcing (RF), ist eine physikalische Größe in der Klimaforschung. Er ist ein Maß für die Klimawirkung der anthropogenen Störung. Der Strahlungsantrieb „misst die Erwärmungsrate infolge einer vom Menschen verursachten Störung des Systems der Erdatmosphäre in Watt je Quadratmeter“. Der Radiative Forcing Index (RFI) gibt die Relation aller Klimaeffekte des Luftverkehrs im Vergleich zur Wirkung des CO2-Austoßes an. Wichtig für den RFI sind unter anderem die Emissionen von Stickoxiden oder die erhöhte Wolkenbildung durch die Emission von Rußpartikeln und Wasserdampf. Der RFI kann derzeit nur als Bandbreite mehrerer Zahlen angegeben werden, da sich die Auswirkung des Effekts nicht mit 100%-iger Sicherheit bestimmten lässt. Die Bandbreite beläuft sich darauf, dass die Klimawirkung des Luftverkehrs mindestens drei bis fünfmal so groß ist wie die Wirkung des emittierten CO2. Da das Thema RFI sehr komplex ist, erfolgt eine weitere Definition des Sachverhalts zum besseren Verständnis: Die Wirkung von Non-CO2-Emissionen (alle Schadstoffe außer CO2) auf das Klima in großen Höhen kann mit Metriken auf die Klimawirkung einer bestimmten Menge CO2-Emissionen umgerechnet werden. Eine Metrik ist der sogenannte RFI. Der RFI basiert auf dem Strahlungsantrieb der Schadstoffe, also die direkte Veränderung der Energiebilanz der Atmosphäre durch den eingebrachten Schadstoff. Beträgt der RFI die Größe drei bedeutet das, dass die direkte Wirkung aller Schadstoffe des Flugverkehrs dreimal höher ist als das CO2 alleine. Das heißt, nach der Metrik ist jeder Flug dreimal schädlicher für das Klima als der reine CO2-Ausstoß. Anstatt zwei Tonnen reines CO2 ist die Klimawirkung dreimal so groß und beträgt dann sechs Tonnen CO2. Der Treibhauseffekt kann dabei verstärkt werden (positive Werte des RFI), das bedeutet eine Nettoerwärmung, oder er kann den Treibhauseffekt dämpfen (negative Werte des RFI), welche eine Abkühlung bedeuten. CO2 hat definitionsgemäß einen RFI im Wert eins. Andere Faktoren, wie die Bildung von Zirruswolken (Eiswolken) dagegen sind mit einer großen Unsicherheit, was den Wert betrifft behaftet, wodurch sich eine Spannweite von 1,9 bis 4,7 des RFI ergibt. Der Wert bedeutet, dass ein Flug eine bis zu fünfmal höhere Klimawirkung haben kann, wie der reine CO2-Ausstoß.