Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder!

(Afbeelding te vinden op https://esd110.mit.edu/blog/black-carbon-emissions-aircraft )

De context
Tot de zorgen van de omwonenden van vliegvelden (zoals in mijn geval Eindhoven Airport) hoort het door vliegtuigen geproduceerde (ultra)fijn stof.

Straalverkeersvliegtuigen vliegen op kerosine, om precies te zijn op Jet A. Militaire straalvliegtuigen vliegen op het nauw verwante JP-8. Op Eindhoven Airport overheerst het aantal civiele vliegbewegingen.
Als men wil aansluiten bij wat bij het algemene publiek bekend is, kan men kerosine het beste vergelijken met rode diesel (zwavelhoudende dieselolie die tot voor kort verkocht mocht worden voor tractoren, boten etc). Alle diesel, die nu voor auto’s, boten, etc verkocht wordt is nagenoeg zwavelvrij gemaakt. Zo niet kerosine.

Vliegen hoort bij de menselijke activiteiten die het moeilijkst te verduurzamen zijn.
Pakweg tot 700 km kan de Hogesnelheidslijn (HSL) uitkomst bieden, en over pakweg tien jaar kan hybride-elektrisch vliegen met propellervliegtuigen uitkomst bieden voor lastig met de trein te bereiken locaties tot pakweg 1000km.
Voor langere afstanden zal het straalverkeersvliegtuig blijven bestaan en dat zal blijven vliegen op kerosine, of misschien op synthetische brandstof die voor kerosine kan doorgaan (al dan niet uit biomassa).
Op dit moment bestaat er nog nauwelijks synthetische vliegtuigbrandstof, en is het recept voor verduurzaming dus gewoon zuiniger, efficienter en minder, dus selectiever, vliegen.

Er zal dus in 2050 nog steeds gevlogen worden, heel wat meer dan nu, en dat zal voor een groot deel nog steeds met straalverkeersvliegtuigen gebeuren.
Dat roept de vraag op of de nadelen voor de leefomgeving, die die straalverkeersvliegtuigen met zich meebrengen, verkleind kunnen worden. In directe zin gaat het om geluid en luchtkwaliteit, in indirecte zin om waardedaling van woningen, gezondheidseffecten enz.
Daarnaast heeft vliegen (vooral de ongebreidelde groei) steeds zwaarder wegende nadelen voor het klimaat.

Ultrafijn stof-verdeling rond het vliegveld, 2020, alleen civiel. Bron gemeente Eindhoven.

Dit artikel gaat vooral over (ultra)fijn stof omdat dat de belangrijkste vliegtuiggebonden component van luchtvervuiling is, en omdat dat stof invloed heeft op het klimaat.

(Ultra)fijn stof  (in het Engels Particulate Matter PM, dus deeltjes) bestaat uit twee hoofdcomponenten: deeltjes die afkomstig zijn van zwavel in kerosine, en deeltjes die afkomstig zijn van onvolledige verbranding van diezelfde kerosine.

Zwavel en stikstof
Kerosine mag tot maximaal 3000ppm zwavel bevatten (0,3 gewichts%), maar zit in praktijk meestal tussen de 400 en de 800ppm. (Bij benzine en dieselolie voor auto’s is de limiet 10ppm). Die ontzwaveling kan plaats vinden met gevestigde standaardtechnieken. De brandstofprijs zou 1% omhoog gaan als kerosine ontzwaveld werd tot 15ppm.
De zwavel verbrandt tot SO2 en als dat buiten de motor in contact komt met water oxideert dat door tot SO3 , waardoor een oplossing van zwavelzuur ontstaan is.
Als dat zwavelzuur in contact komt met  ammoniak (dat vooral uit de in dit gebied overvloedig aanwezige veeteelt komt), ontstaan fijne kristalletjes ammoniumsulfaat (al dan niet met aanhangend water). Dit heet een secundary inorganic aerosol (SIA) en die maken deel uit van het (ultra)fijn stof.
Door de hoge temperaturen in de motor reageert een deel van de stikstof uit de lucht tot stikstofoxiden, die na wat omzwervingen op vergelijkbare wijze ammoniumnitraat  vormt, ook een SIA uit het (ultra)fijn stof.

Hoe giftig SIA’s precies zijn is omstreden. In isolatie niet of nauwelijks, in combinatie met andere giftige stoffen misschien wel. Tot nader order houdt de wetenschap het erop dat de gemiddelde giftigheid van SIA’s gelijk is aan die van het PM2.5, waarvan ze deel uitmaken.

Voor verdere info verwijs ik naar eerdere artikelen op deze site, zie Kun je zwavelvrije kerosine kopen? En Kun je zwavelvrije kerosine kopen ? (vervolg)  . Let wel  dat deze artikelen al weer ruim twee jaar oud zijn!

Roet en andere onvolledige verbrandingsproducten
Dat vraagt helaas een beetje scheikunde.
Kerosine is een ingewikkeld mengsel dat uit honderden koolwaterstoffen bestaat en wat sporenelementen (waaronder dus zwavel).
Koolwaterstofmoleculen bestaan uit ketens aan elkaar geregen koolstofstomen, waarvan de overblijvende vrije plaatsen met waterstofatomen bezet zijn. Koolstofatomen kunnen met een enkele of een dubbele binding aan elkaar zitten.
Als het molecuul geen ringstructuur en geen dubbele binding heeft, heet het verzadigd (saturated). Butaan (van het butagas), nonaan (zie onder) of paraffine zijn voorbeelden.

Als het molecuul geen ringstructuur en één dubbele binding heeft, heet het een olefine. Onder als voorbeeld 1-noneen.

Dit is een voorbeeld van een olefine

Als het molecuul geen ringstructuur en meerdere dubbele bindingen heeft, heet het meervoudig onverzadigd (dezelfde aanduiding als op pakjes margarine).
Als het molecuul wel een ringstructuur heeft en meerdere dubbele bindingen, heet het ‘aromatisch’. De eenvoudigste aromatische verbinding is de benzeen-zeshoek.

Benzeen is de kleinste aromatische verbinding en bouwsteen voor grotere

Zitten er twee van die zeshoeken aan elkaar, dan heet het naphtaleen.

Zitten er drie of meer van die ringen aan elkaar, dan heet het een PAK (Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen).

Roet bestaat grotendeels uit koolstof (vaak vermengd met aanhangende rotzooi) en heet ook wel Black Carbon.
Daarnaast kan kerosine minder vergaand verbranden/ontleden tot stoffen die nog geen koolstof zijn en nog vloeibaar. Die noemt men vluchtige aerosolen. Die kunnen of vrij in de lucht komen of als laag op het roet gaan zitten.

Sorry, maar dit college was even nodig.

Kenmerken van gangbare en synthetische vliegtuigbrandstof

Deze tabel bevat de gegevens van ‘’een soort civiele en tamelijk zwavelrijke Jet A in kolom 2), één soort militaire JP-8 die overigens ongeloofwaardig weinig zwavel bevat, en één soort synthetische brandstof FT-SPK. Kolom 4 en 5 zijn mengsels van FT-SPK met er eerste twee.
D5453 geeft het totale zwavelgehalte in ppm.

FT staat voor Fischer-Tropsch en SPK Synthetic Paraffinic Kerosine. Dat is een gevestigde techniek om uit andere grondstoffen via koolmonoxide en waterstof synthetische brandstof te maken (in dit geval dus kerosine). Het uitgangsmateriaal is in dit artikel aardgas (de Gas-To-Liquid techniek GTL), of kolen.
Er is een informatieve Wikipediapagina https://nl.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropschbrandstoffen .
Bovenstaande tabel komt uit een presentatie dd juni 2016 door het Southwest Research Institute (SWRI) uit Texas aan de ETH in Zürich ( www.nanoparticles.ch/archive/2016_Khalek_PR.pdf ). Er staat niet bij wat in dit geval het uitgangsmateriaal van de FT is.

Een andere publicatie (Reductions in aircraft particulate emissions due to the use of Fischer–Tropsch fuels dd 2014) is saaier en minder toegankelijk voor de leek, maar informatiever. Die komt uit het tijdschrift Atmospheric Chemistry and Physics  (ACP) www.atmospheric-chemistry-and-physics.net/ . Zie voor het artikel zelf Reductions in aircraft particulate emissions due to the use of FT-fuels_acp-14-11-2014
Alle publicaties op dit gebied stellen dat het roetgehalte in uitlaatgassen van straalmotoren zeer sterk bepaald wordt door het aantal dubbele bindingen en het aantal ringen in de brandstof. In praktijk bij kerosine vooral het percentage aromaten, nog verder versimpeld hoeveel % benzeen er in de kerosine zit.

Wat het Zürichse staatje nu uitwijst, en wat ook de andere publicatie zegt, is er in synthetische brandstoffen zeer veel minder benzeen (en naphtaleen enz) zit, en dat er dus veel minder roet afkomt. Dat is in metingen te zien, bijv. onderstaande figuur uit de Zürichse presentatie van het SWRI:

Daarin slaat “Regulation” op een oude en lakse ICAO-norm die alleen over roet bij het opstijgen gaat. Het verschil tussen links en rechts geeft vooral het nut van deze norm weer, welk nut dus tamelijk klein is.

Hoe dan ook, het plaatje toont duidelijk dat veel aromaten leiden tot veel roet en vluchtige vervuiling, en dat nagenoeg geen aromaten leidt tot heel weinig idem. Vooral in de “idle” stand van de motoren (dus bijv. bij het proefdraaien of taxiën) zijn de verschillen groot.

Het artikel in ACP vindt vergelijkbare grote verschillen. Zuivere synthetische brandstof produceert ruim 4 tot 6 keer zo weinig roet als standaard JP-8 (de blend zit daar tussen in), en ook veel minder vluchtige aerosolen.
De zwavelemissies zijn bij synthetische brandstof nagenoeg afwezig.

Het effect van de vluchtige aerosolen op de lokale luchtkwaliteit in de omgeving is (volgens ACP) bij koud weer groter.

Klimaat
Het zwarte roet heeft een verwarmende invloed op het klimaat, de witte sulfaataerosolen een koelende invloed. Beide kunnen als condensatiekern gaan fungeren die helpen bij het vormen van wolken, waarvan de invloed dubbelzinnig is. Het totale effect is vooralsnog onduidelijk.

Het effect van het zwavelgehalte in de brandstof op de gevormde contrail

Behalve de FT-techniek loslaten op aardgas en kolen, zijn er ook andere technieken om aromaat- en zwavelarme biodiesel te maken. Het kan ook uit tweede generatie- biomassa (zie de eerder genoemde artikel over zwavelarme kerosine op deze site), al dan niet via een FT-route.

Er moet nog veel onderzoek plaatvinden. Het voert te ver om daar op deze plaats dieper op in te gaan.

2 thoughts on “Roet en zwavel uit straalmotoren: dat kan veel minder!”

  1. Bernard Gerard, wat ben ik toch blij met iemand zoals U, lees uw artikelen met enorme belangstelling, echter soms kan MIJN brein het niet bevatten ( zoals bovenstaande). Maar toch, iemand die voor de naaste bewoners van EA opkomt , schrijft, adviseert, uitlegt en er STAAT. Dank U hartelijk.

    1. Het is inderdaad een tamelijk moeilijk artikel voor een groot publiek. Ik besef dat zelf ook wel.
      Aan de andere kant ligt hier een kennislacune van jewelste. Het is van belang dat er in kringen van omwonenden en actievoerders begrip ontstaat van waar nou eigenlijk het probleem zit, want anders kun je niet de juiste eisen stellen. Uiteraard is de ‘gemakkelijkste’ eis dat er minder moet worden gevlogen, maar ik zie dat nog niet meteen gebeuren. Hooguit neemt het groeitempo af.
      Het zou wel eens verstandig kunnen zijn om in een vroeg stadium over andere vormen van vervoer, andere typen aandrijvingsmechanismen en betere kerosine te beginnen. Bovendien zal het vliegen op termijn tegen de grenzen van het klimaat aan gaan lopen.
      Voor dat alles moet je het probleem in kaart brengen. Dat is wat ik probeer. Ik geef toe dat het niet altijd eenvoudig is.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *