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SMARTEMIS

Modernstes, den ICAO-Messstandards entsprechendes Emissionsmesssystem für Triebwerke

Systembeschreibung

Das «Swiss Mobile Aircraft Emission Measurement System» (SMARTEMIS) ist ein innovatives mobiles Flugzeugtriebwerks-Emissionsmesssystem für Partikel- und Gasemissionen. Der Prototyp von SMARTEMIS wurde ursprünglich vom Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) gebaut und im Triebwerksprüfstand bei SR Technics am Flughafen Zürich eingebaut. Die Weiterentwicklung des Systems erfolgte durch die Empa in Zusammenarbeit mit SR Technics. In dieser Zeit wurde das standardisierte Messverfahren für die Partikelmessung integriert und das Messsystem vollständig mobil gemacht (Anfang 2017). Die Entwicklung von SMARTEMIS ist eng mit der Erarbeitung des ersten globalen Standards für nichtflüchtige Partikel (Russ, als Fachbegriff «nvPM») für Flugzeugtriebwerke durch die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) verbunden.

Die nvPM Probenahme- und Messinstrumentierung von SMARTEMIS ist vollständig konform mit dem ICAO nvPM Zertifizierungsstandard. Neben den standardisierten Instrumenten für nvPM-Massen und -Anzahlmessungen beinhaltet SMARTEMIS Geräte zur Messung der Partikelgrössenverteilung, der «Smoke Number» (Rauchzahl), der regulierten gasförmigen Schadstoffe (CO, HC, und NOx) und eines nicht reglementierten gasförmigen Abgases (SO2). In Verbindung mit einer einzigartigen in der x-z-Ebene justierbaren Abgassonde, die bei SR Technics installiert ist, wurde SMARTEMIS zur Messung von Emissionsdaten für eine Vielzahl von sich im Einsatz befindenden Mantelstromtriebwerken eingesetzt.

Smartemis Instruments

Particle Measurement Instrument List Function/Species measured
Present Instruments AVL Micro Soot Sensor (MSS) nvPM mass (black carbon) concentration
AVL Particle Counter Advanced Plus (APC) nvPM number concentration
TSI Scanning Mobility Particle Sizer Model 3938 (long and nano DMA) Particle number size distribution
Chell CSM2000 + Photovolt 577PC ( SAE ARP 1179 compliant smoke meter and reflectometer) ICAO Smoke Number
Catalytic Instruments Catalytic Stripper CS08 removal of volatile PM fraction
Aerodyne CAPS PMssa Monitor (660 nm) aerosol scattering, extinction, and single scattering albedo (SSA)
Possible extensions Filter sampling system for thermal-optical analysis
* nvPM = non-volatile particulate matter; DMA = Differential mobility analyser
Gas phase measurement Instrument List Function/Species measured
Present instruments Horiba PG250 multi-gas analyser CO, CO2, NOx, SO2
Ecophysics CLD 844 S hr NOx analyser NO, NO2, NOx
Horiba MEXA 1170HFID Hydrocarbon (HC) analyser Total HC
Thermo Scientific 48iQ CO analyser CO
Thermo Scientific 410i and 410 iQ CO2 analysers CO2
Thermo Scientific 43i SO2 analyser SO2
Thermo Scientific 146iQ Multi-gas calibrator calibration gas dilution for span and multipoint calibrations
Possible extensions Custom-built VOC sampling system for thermal desorption GC-MS analysis

Wie lauten die ICAO-Emissionsvorschriften?

SMARTEMIS ist eines von drei unabhängig voneinander gebauten Referenzsystemen für nvPM-Messungen weltweit. Das SAE-E31-Komitee hatte im Jahre 2013 eine erste Version einer standardisierten nvPM-Messmethodik entworfen (SAE Aerospace Information Report 6241). Um dessen Güte zu demonstrieren wurde SMARTEMIS 2013 bei SR Technics bei den ersten nvPM-Messungen eines regulierten Triebwerks unter Bedingungen eingesetzt, die dem zukünftigen ICAO nvPM-Standard im Prüfstand entsprechen. Spätere Testkampagnen konzentrierten sich auch auf die Auswirkungen der Kraftstoffzusammensetzung (einschliesslich nachhaltiger Flugkraftstoffe wie HEFA) auf die nvPM-Emissionen und lieferten dem Ausschuss für Umweltschutz in der Luftfahrt (CAEP) wertvolle Daten für die Entwicklung von Korrekturgleichungen für die nvPM-Emissionszertifizierung. Die Messkampagnen bei SR Technics sowie die jüngsten Messkampagnen bei Triebwerksherstellern im Ausland haben zur Entwicklung einer nvPM-Emissionsdatenbank von repräsentativen, aktuell hergestellten Flugzeugtriebwerken und der in Zukunft geltenden nvPM-Emissionsgrenzwerte für die CAEP/11 nvPM-Massen- und Zahlenstandards beigetragen.

Die neuen ICAO-Richtlinien (SARP) für nvPM-Emissionen wurden im März 2020 angenommen. Diese neuen Standards traten am 1. Januar 2021 in Kraft. Darüber hinaus sollen die neu akzeptierten LTO nvPM-Emissionsgrenzwerte ab dem 1. Januar 2023 wirksam werden. Eine Zusammenfassung der SARPs wurde im ICAO-Umweltbericht 2019 vorgestellt. Diese betreffen die Art und Weise der nvPM-Messungen, die nvPM-Grenzwerte und die nvPM-Berichterstattung für neu entwickelte sowie fabrikneue Flugzeugtriebwerke. Die neuen Vorschriften sollen Rückschritte bei der Entwicklung der Verbrennungstechnologie von Triebwerken verhindern und zu einer Verbesserung der Emissionswerte neuer Triebwerke führen.

Feldmesskampagnen

Durch den robusten modularen Aufbau des Systems kann SMARTEMIS für Emissionsmessungen ausserhalb von SR Technics relativ einfach transportiert werden. Die verschiedenen Module können entweder auf einen für das System ausgelegten Anhänger verladen oder für grössere Entfernungen in dafür angefertigte Kisten für den Transport per Luft- oder Landfracht verpackt werden. Beispiele für solche Messkampagnen sind Messungen am Bundesratsjet Dassault Falcon 900EX in Payerne, Schweiz (Oktober 2017) und Messungen bei Triebwerksherstellern in der Ukraine (September 2018) und Russland (Oktober 2018, August 2019).

SMARTEMIS an der ZHAW

In Zusammenarbeit mit dem BAZL und SR Technics setzt unser Team (Forschungsgruppe «Meteorologie, Umwelt und Luftverkehr») SMARTEMIS weiterhin zur Messung von Gas- und Partikelemissionen von Triebwerken ein. Darüber hinaus optimieren und aktualisieren wir SMARTEMIS stetig und beteiligen uns an internationalen und nationalen Kooperationsprojekten.

SMARTEMIS-Projekte

BAZL-finanzierte Forschungsprojekte:

EU-finanzierte Kooperationsprojekte im Rahmen von Horizon 2020:

  • RAPTOR mit den Hauptzielen:
    Abschätzung von Messunsicherheiten der nvPM-Emissionen von Triebwerken
    Überprüfung von Modellansätzen zur Modellierung der Luftqualität um Flughäfen
    Bewertung der nvPM-Gesundheitsauswirkungen
    Redaktion künftiger Vorschriften
  • ACACIA, mit den Hauptzielen:
    Auswirkungen der Luftfahrt auf das Klima verstehen
    Wissenschaftlich fundierte Wissensbasis über Methoden zur Minderung der Klimaauswirkungen der Luftfahrt erschaffen

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