Promotionsvortrag: Ein systemanalytischer Ansatz zur Internalisierung der Klimawirkung der Luftfahrt

Mit dem Ziel einen finanziellen Anreiz bzw. eine Notwendigkeit für Luftfahrzeugbetreiber zur Reduktion ihrer Klimawirkung zu schaffen, wird in dieser Arbeit ein problemdeduzierter Systemgestaltungsprozess angewandt und Wissen unterschiedlicher Fachdisziplinen (Luftfahrt, Atmosphärenphysik, Umweltökonomie) miteinander verknüpft. So gilt es im zu entwickelnden System, u. a. NichtCO2-Klimaeffekte, wie z. B. die Ozon- und Kondensstreifenzirrenbildung, zu berücksichtigen, die ca. 2/3 der Klimawirkung der Luftfahrt induzieren und hochgradig nicht linear zum Kraftstoffverbrauch sind. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden in einer iterativen Vorgehensweise (Teil-)Lösungsansätze generiert, adaptiert und rekombiniert. Auf diese Weise werden die Konzepte der Klimasperrgebiete (regulativer Ansatz) bzw. der Klimamautgebiete (preisbasierter Ansatz) entwickelt. Bei der vorhersagbaren und nachprüfbaren Ausgestaltung dieser Konzepte steht neben Effektivitäts- und Effizienzkritierien vor allem eine kurzfristige Operationalisierbarkeit im Mittelpunkt des Entwurfsprozesses. Um beide Konzepte miteinander zu vergleichen, sie hinsichtlich der Zielerreichung multikriteriell zu überprüfen und Empfehlungen für eine weitere Vorgehensweise auszusprechen, werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit eine Modellumgebung aufgebaut und Funktionalitäts- bzw. Potenzialanalysen durchgeführt. Mit der Umsetzung des Vorsorge- und Verursacherprinzips der Umweltökonomie führen beide Konzepte zentrale Rahmenbedingungen einer nachhaltigen Entwicklung in die Luftfahrt ein. So werden in den ausgearbeiteten Konzepten die durch den Luftverkehr für die Gesellschaft induzierten sozioökonomischen Folgekosten direkt (preisbasiert) bzw. indirekt (regulativ) in der Bilanz der Luftfahrzeugbetreiber und somit in ihren Entscheidungsprozess integriert. Diese Bilanzerweiterung senkt die bestehende Diskrepanz zwischen den von den Luftfahrzeugbetreibern veranschlagten, privaten Grenzkosten und die für die Gesellschaft entstehenden Folgekosten deutlich und erzeugt einen finanziellen Anreiz, ihr Flugverhalten zu verändern. Umfliegen im Konzept der Klimamautgebiete Luftverkehrsgesellschaften (teilweise) besonders klimasensitive und somit gebührenpflichtige Regionen, können große Teile der durch die (Teil-)Internalisierung entstehenden Mehrkosten vermieden werden. Der beim klimafreundlichen Fliegen bestehende Zielkonflikt zwischen Ökologie und Ökonomie wird aufgelöst: Ein klimafreundliches Verhalten wird wirtschaftlich attraktiv. Die Demonstration der Funktionalität und Effektivität dieser Konzepte erfolgt mit Trajektoriensimulationen im Nordatlantikflugkorridor. Werden in dieser Region Klimamaut- bzw. Klimasperrgebieten eingeführt und vollständig umflogen, können durchschnittlich mehr als 90% des maximal durch klimaoptimales Fliegen möglichen Mitigationspotenzials erzielt werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz, bei der Flugroutenführung ausschließlich die am klimasensitivsten Regionen zu vermeiden, ist dementsprechend wirkungsvoll. Infolge des bestehenden, hohen Einflusses auf die Luftraumkapazität (Flugverbot) muss vom restriktiven Konzept der Klimasperrgebiete abgeraten werden. Die Praktikabilität des kostengetriebenen Ansatzes zeigt hingegen das Verhalten zahlreicher Luftfahrzeugbetreiber auf transeuropäischen Flügen. Um ihre Gesamtbetriebskosten zu reduzieren, nehmen diese mit sinkenden Treibstoffkosten längere Umwege in Kauf und leiten ihre Flüge möglichst lange über jene Länder mit geringeren Flugführungsgebühren

Note on the Non-CO2 Mitigation Potential of Hybrid-Electric Aircraft Using "Eco-Switch"

Non-CO2 effects, like ozone production and contrail cirrus formation, account for about 50-75% of aviation's climate impact, which can be effectively mitigated by re-routing flights around highly climate-sensitive areas, like ice-supersaturated regions (ISSRs). With electric drives forming no contrails and binding all life-cycle emissions to the ground, also hybrid-electric aircraft (HEA) offer the capability to mitigate non-CO2 effects by switching to full-electric mode while passing those areas. For investigating the eco-switch HEA mitigation potential, a cost-benefit assessment of eco-switch trajectories is performed for two weather situations and benchmarked against the mitigation potential of climate-optimized re-routings. We studied the impact of the HEA fuel flow and the cruising time in a full-electric operation and identified distinct weather-related differences. If the eco-switch concept is applied while passing ISSRs, we found a significant mitigation potential for all combinations of full-electric cruise times and HEA fuel flow levels. This strongly implies that the climate impact of flights dominated by contrail-cirrus is largely driven by the level of climate sensitivities along the trajectory, rather than by emission levels (aircraft design). If no ISSR is crossed, the climate impact is increasing with increasing HEA fuel flow, implying that the emission volume outweighs the local climate sensitivity

The CO2 and non-CO2 climate effects of individual flights: simplified estimation of CO2 equivalent emission factors

As aviation’s contribution to anthropogenic climate change is increasing, industry aims at reducing the aviation climate effect. However, the large contribution of non-CO2 effects to the total climate effect of aviation and their large variability for each individual flight inhibit finding appropriate guidance. Here, we present a method for the simplified calculation of CO2 equivalent emissions, expressed using the physical climate metrics ATR100 or AGWP100, from CO2 and non-CO2 effects for a given flight, exclusively based on the aircraft seat category as well as the origin and destination airports. The simplified calculation method estimates non-CO2 climate effects of air traffic as precisely as possible, without detailed information on the actual flight route, actual fuel burn, and current weather situation. For this purpose, we evaluate a global data set containing detailed flight trajectories, flight emissions, and climate responses, and derive a set of regression formulas for climate effects, which we call climate effect functions, as well as regression formulas for fuel consumption and NOx emissions. Compared to previous studies, this method is available for a larger number of aircraft types, including most commercial airliners with seat capacities starting from 101 passengers, and delivers more specific results through a clustering approach. The climate effects calculated using the climate effect functions derived in this study exhibit a mean absolute relative error of 15.0 % and a root mean square error of 1.24 nK with respect to results from the climate response model AirClim. The climate effect functions are designed for climate footprint assessments, but would not create an incentive in an emission trading system, for which detailed information on the current weather as well as the actual flight route and profile would be required

Estimating the Economic Viability of Advanced Air Mobility Use Cases: Towards the Slope of Enlightenment

While different vehicle configurations enter the AAM market, airlines declare different ticket fares for their operations. This research investigates the operating cost of an airline and the economic viability with the announced fare per km rates. For this purpose, three use cases in the metropolitan area of Hamburg showcase representative applications of an AAM system, whereby a flight trajectory model calculates a flight time in each case. The direct operating cost are investigated for each use case individually and are sub-classified in five categories: fee, crew, maintenance, fuel and capital costs. Here, each use case has its own cost characteristics, in which different cost elements dominate. Additionally, a sensitivity analysis shows the effect of a variation of the flight cycles and load factor, that influences the costs as well as the airline business itself. Based on the occurring cost, a profit margin per available seat kilometer lead to a necessary fare per km, that an airline has to charge

GLOWOPT - A new approach towards global-warming-optimized aircraft design

A new concept for designing aircraft with minimum climate impact is presented. The paper describes the GLOWOPT approach, which is currently being implemented in the framework of the Clean Sky 2 programme. It aims at developing and validating so-called Climate Functions for Aircraft Design (CFAD). Those functions constitute an easy-to-use tool, which can be integrated into existing aircraft synthesis workflows without high adaptation effort. They will be made available to the relevant stakeholders including aircraft manufacturers, and thus allow for the development of new aircraft with a significantly reduced impact on global warming

Decision parameters of an MRV scheme for integrating non-CO2 aviation effects into EU ETS

Although about two-thirds of aviation's climate impacts are caused by non-CO2 effects, such as ozone production or contrail cirrus formation, these effects are not yet considered in existing and currently planned policy instruments (e.g. EU ETS or CORSIA). Due to their climatological relevance, however, various economic concepts have been proposed recently to internalise nonCO2 effects. Most of these approaches are based on the principle of equivalent CO2 emissions (CO2e), a way of unitizing the impact of all climate agents. Several calculation methods for CO2 equivalents are in principle available, which differ in the degree of detail and are subject to uncertainties related to atmospheric science. There are a quite a few key decision parameters for policy makers for setting up a monitoring, reporting, and verification (MRV) scheme for non-CO2 effects. The aim of this study is therefore to analyze and discuss the most important decision parameters for the integration of non-CO2 aviation effects into EU ETS

Testing of a Monitoring Reporting & Verification (MRV) Scheme for non-CO2 aviation effects

Darstellung des Projekts "Testing of a Monitoring Reporting & Verification (MRV) Scheme for non-CO2 aviation effect