Properties of contrails from aircraft with modern engines and alternative fuels

Abstract

Contrails forming from aircraft engine emissions can evolve into long-living contrail cirrus when ambient conditions are ice-supersaturated. Their net effective radiative forcing has been shown to directly correlate with the number of contrail ice particles under similar atmospheric conditions. As one of the largest single contributors to radiative forcing from aviation, contrail ice crystal reduction is a major lever in mitigating aviation’s climate impact. In the course of this work, the first ever in-situ measurements of contrails and emissions from the combustion of 100 % sustainable aviation fuel (SAF) were conducted within the framework of the ECLIF3 project. In a series of research flights, the DLR-operated Dassault Falcon served as the measurement platform in chasing the emission source aircraft Airbus A350-941 equipped with Rolls-Royce Trent XWB-84 engines and burning 100 % HEFA-SPK (Hydro-processed Esters and Fatty Acids - Synthetic Paraffinic Kerosene) fuel. The resulting contrails were probed by in-situ instrumentation for the detection of contrail ice particles, (non-)volatile particulate matter, trace gases, and water vapor onboard the DLR Falcon. Hereby, a 56 % reduction of ice particle numbers per mass of burned fuel compared to the combustion of reference Jet A-1 fuel was measured at cruise conditions. Simultaneously, a lower reduction of 35 % for soot particle numbers was detected, thereby suggesting less ice activation by the low aromatics and low sulfur HEFA-SPK fuel. Beyond CO2 footprint reductions of 100 % non-fossil origin SAF, global climate model simulations based on these experimental results estimate an additional decrease in contrail radiative forcing. Modern aircraft engines employing lean-burn combustion technology are expected to reduce soot emissions into the low-soot regime of 10^11 – 10^14 particles per kg of burned fuel. The implications for the formation of contrails by the use of SAF and modern lean-burn aircraft engines are investigated in the German-French NEOFUELS-VOLCAN (VOL avec Carburants Alternatifs Nouveaux) project. In the course of two research campaign phases, an Airbus A319neo and an Airbus A321neo equipped with lean-burn CFM LEAP-1A engines served as emission source aircraft which were chased by the DLR Falcon measurement platform. Despite large soot particle emission reductions for the lean-burn combustion mode compared to the forced rich-burn mode in non-contrail forming conditions, a high number of contrail ice particles is measured in both combustion modes. At the same time, a correlation of ice particle numbers is found to total aerosol particle (nonvolatile + volatile) emissions. SAF use in lean-burn combustors showed a decrease in contrail ice particle numbers compared to conventional jet fuel combustion in the lean-burn and forced rich-burn combustion modes. The results of this work will contribute to the assessment of benefits and caveats of the use of sustainable aviation fuels and modern combustion technologies regarding contrail formation and properties as well as the associated contrail climate forcing. This will help industry and policymakers to make informed decisions on the development of future technologies and the regulation of non-CO2 effects currently burdened by large uncertainties.

Kondensstreifen, die sich aus den Emissionen von Flugzeugtriebwerken bilden, können sich bei eisübersättigten Umgebungsbedingungen zu langlebigen Kondensstreifen-Zirren entwickeln. Ihr netto effektiver Strahlungsantrieb korreliert nachweislich direkt mit der Anzahl der Kondensstreifen-Eispartikel unter ähnlichen atmosphärischen Bedingungen. Als einer der größten Einzelbeiträge zum Strahlungsantrieb des Luftverkehrs ist die Reduzierung von Kondensstreifen-Eiskristallen ein wichtiger Hebel, um die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima zu mindern. Im Zuge dieser Arbeit wurden im Rahmen des ECLIF3-Projekts erstmals in-situ-Messungen von Kondensstreifen und Emissionen aus der Verbrennung von 100 % nachhaltigem Luftfahrttreibstoff (SAF) durchgeführt. In einer Reihe von Forschungsflügen diente die vom DLR betriebene Dassault Falcon als Messplattform, welche das mit Rolls-Royce Trent XWB-84-Triebwerken ausgestattete und mit 100 % HEFA-SPK (Hydro-processed Esters and Fatty Acids - Synthetic Paraffinic Kerosene) Treibstoff betriebene Emissionsquellenflugzeug Airbus A350-941 verfolgte. Die entstehenden Kondensstreifen wurden mit einer an Bord der DLR Falcon installierten In-situ-Instrumentierung zur Detektion von Kondensstreifen-Eispartikeln, (nicht-)flüchtigen Partikeln, Spurengasen und Wasserdampf untersucht. Dabei wurde eine Verringerung der Eispartikelanzahl pro Masse verbrannten Treibstoffs um 56 % im Vergleich zur Verbrennung des Referenztreibstoffs Jet A-1 bei Reiseflugbedingungen gemessen. Gleichzeitig wurde eine geringere Reduzierung der Rußpartikelzahl um 35 % festgestellt, was auf eine geringere Eisaktivierung durch den aromaten- und schwefelarmen HEFA-SPK-Kraftstoff hindeutet. Zusätzlich zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks durch 100 % SAF nicht-fossilen Ursprungs, berechnen globale Klimamodell-Simulationen auf Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse eine zusätzliche Verringerung des Kondensstreifen-Strahlungsantriebs. Es wird erwartet, dass moderne Flugzeugtriebwerke mit Magerverbrennungstechnologie die Rußemissionen in den rußarmen Bereich von 10^11 – 10^14 Partikeln pro kg verbranntem Kraftstoff reduzieren. Im Rahmen des deutsch-französischen Projekts NEOFUELS-VOLCAN (VOL avec Carburants Alternatifs Nouveaux) werden Auswirkungen des Einsatzes von SAF und modernen Magerverbrennungstriebwerken auf die Kondensstreifenbildung untersucht. Im Verlauf zweier Forschungskampagnenphasen dienten ein Airbus A319neo und ein Airbus A321neo mit CFM LEAP-1A Magerverbrennungstriebwerken als Emissionsquellenflugzeuge, die von der DLR Falcon-Messplattform verfolgt wurden. Trotz starker Reduktionen von Rußpartikelemissionen im Magerverbrennungsmodus im Vergleich zum Modus erzwungener fetter Verbrennung bei Bedingungen ohne Kondensstreifenbildung, wird in beiden Verbrennungsmodi eine hohe Anzahl von Kondensstreifen-Eispartikeln gemessen. Gleichzeitig wird eine Korrelation zwischen der Eispartikelanzahl und den Gesamtaerosolemissionen (nicht flüchtig + flüchtig) festgestellt. Die Verwendung von SAF in Magerverbrennungs-Brennkammern führte zu einer Verringerung der Kondensstreifen-Eispartikelanzahl im Vergleich zur Verwendung konventionellen Luftfahrttreibstoffs im Magerverbrennungsmodus sowie im Modus erzwungener fetter Verbrennung. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dazu beitragen, die Vor- und Nachteile des Einsatzes nachhaltiger Luftfahrttreibstoffe und moderner Verbrennungstechnologien in Bezug auf die Bildung und die Eigenschaften von Kondensstreifen sowie den damit verbundenen Klimaantrieb zu bewerten. Dies wird der Industrie und politischen Entscheidungsträgern helfen, fundierte Entscheidungen über die Entwicklung zukünftiger Technologien und die Regulierung von Nicht-CO2-Effekten zu treffen, die derzeit mit großen Unsicherheiten behaftet sind.