Verbundprojekt D-KULT: Demonstrator klima- und umweltfreundlicher Lufttransport; Teilvorhaben PACE: Erweiterung der Applikation zur taktischen Flugprofiloptimierung um die Berücksichtigung klimarelevanter Wetterdaten und Fluplanupdates für die Berechnung und Visualisierung von zeit-, kosten- und ökoeffizienter Trajektorien

Abstract

Im Verbundprojekt D-KULT (Demonstrator Klima- und Umweltfreundlicher LuftTransport) wurden Verfahren entwickelt und erprobt, mit denen die Klimawirkung von Nicht-CO2 Emissionen im Luftverkehr durch öko-optimierte Flugtrajektorien reduziert werden kann. Der Fokus von PACE lag in der Erweiterung des Flugprofil-Optimierungssystems FPO Cloud auf der Integration von Wetterdaten für klimasensitive Gebiete, die vom DLR-IPA und dem DWD berechnet und zur Verfügung gestellt wurden, und auf der Entwicklung von zwei prototypischen Features zur Berechnung öko-effizienter Trajektorien. Hierfür wurden im Projekt zwei Ansätze entwickelt. Im ersten werden so genannte Ice-Supersaturated Regions (ISSR) identifiziert und geprüft, ob dort zusätzlich das Schmidt-Appleman Kriterium erfüllt ist. Wenn das der Fall ist, dann entstehen beim Durchfliegen mit hoher Wahrscheinlichkeit langlebige Kondensstreifen, aus denen sich Cirrus-Wolkenfeldern entwickeln können, die dann unter Umständen zu einer erhöhten Erwärmung der Atmosphäre führen. Diese Bereiche werden durch den Parameter Potential Persistent Contrail (PPC) beschrieben, der im neu entwickelten Contrail Avoidance Prototyp berücksichtigt und angezeigt wird. Per Automatismus berechnet FPO Cloud dann zeit- und kostenoptimale Trajektorien, bei denen die Schnittmenge mit PPC Gebieten minimiert wurde. Der zweite Ansatz berechnet als quantitative Klimawirkung die Erwärmung der erdnahen Atmosphäre durch den Einsatz der Methode der algorithmic Climate Change Functions (aCCF). Diese Funktionen berücksichtigen die Abhängigkeit der Klimawirkung von Ort und Zeit der langlebigen Kondensstreifen und der Emissionen von NOx, CO2 und H2O. Die vom DLR-IPA bereitgestellten Funktionen erlauben die Berechnung einer Temperaturänderung auf Basis der Klimametrik ATR100. Der Prototyp von FPO Cloud „ECO (Minimize aCCF cost)“ visualisiert die aCCF Werte und berechnet automatisch eine Trajektorie, die zeit-, kosten und klima-optimal ist. Im Rahmen von Simulationen im Labor und Demonstrationen in realen Erprobungsflügen vom Projektpartner DLH wurde die Anwendbarkeit der im Projekt entwickelten Lösungen unter Einbezug der Deutschen Flugsicherung (DFS) untersucht und nachgewiesen. In the joint project D-KULT (Demonstrator for Climate- and Environment-Friendly Air Transport), methods were developed and tested to reduce the climate impact of non-CO₂ emissions in aviation through eco-optimized flight trajectories. The focus of PACE was on extending the flight profile optimization system FPO Cloud by integrating weather data for climate-sensitive regions, calculated and provided by DLR-IPA and DWD, as well as developing two prototype functions for calculating eco-efficient trajectories. The first approach identifies Ice-Supersaturated Regions (ISSR) and checks whether the Schmidt-Appleman criterion is also fulfilled. In these regions, flying through likely produces persistent contrails from which cirrus cloud fields can develop that may contribute to atmospheric warming. These areas are described by the parameter Potential Persistent Contrail (PPC), which is considered and displayed in the newly developed Contrail-Avoidance prototype. FPO Cloud then calculates climate-, time-, and cost-optimal trajectories that minimize intersections with PPC regions. The second approach quantifies the climate impact using the algorithmic Climate Change Functions (aCCF), which consider the dependence of the impact on the location and timing of persistent contrails as well as emissions of NOₓ, CO₂, and H₂O. The functions provided by DLR-IPA enable the calculation of temperature changes based on the climate metric ATR100. The ECO (Minimize aCCF Cost) prototype visualizes the aCCF values and automatically calculates a trajectory that is optimal in terms of time, cost, and climate impact. Within laboratory simulations and real test flights with the project partner DLH, the applicability of the developed solutions was investigated and demonstrated in cooperation with the German Air Navigation Service Provider (DFS).