Methodik zur Bewertung von Flugverfahren hinsichtlich Fluglärm und weiteren Kriterien

Einleitung

Im Folgenden soll ein generisches, kosten-nutzen-basiertes Bewertungsverfahren beschrieben werden, das die Beurteilung verschiedener Flugverfahrenskonzepte hinsichtlich ökoeffizienter Parameter wie Treibstoffverbrauch, Lärmimmission und Schadstoffemission ermöglicht. Die Anforderungen an ein solches Bewertungsverfahren können wie folgt zusammengefasst werden:

• Berücksichtigung der Interessen aller betroffenen Parteien
• Neutrale Bewertung von positiven und negativen Auswirkungen
• Transparente und nachvollziehbare Bewertung
• Standortunabhängigkeit

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden bewährte wirtschaftliche Bewertungsverfahren auf ihre Eignung für die Beurteilung von Flugverfahren überprüft. Da derzeit kein adäquates und allen Anforderungen entsprechendes Bewertungsverfahren existiert, sind bei der Entwicklung des neuen Bewertungsverfahrens bewährte Verfahrensansätze eingesetzt worden. Um die Anwendbarkeit zu belegen und Potentiale aufzuzeigen, wurde das entwickelte Verfahren auf ein fiktives Szenario von Abflügen am Flughafen Berlin-Tegel angewandt.

Status Quo

Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der Flugverfahrensbetrachtung behandeln beinahe ausschließlich die Fluglärmauswirkungen [2; 3]. Dies ist nachvollziehbar, da die durch Luftverkehr verursachte Lärmbelastung die häufigste negative und vordergründige Auswirkung des Flugbetriebs darstellt und somit im Mittelpunkt der Medienberichterstattung steht. Für eine umfassende und objektive Beurteilung der Flugverfahren sind jedoch auch andere Faktoren zwingend zu berücksichtigen.

Der vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die aktuelle Rechtslage in Deutschland, basierend auf dem aktuellen Prozess zur Festlegung nicht-temporärer Flugverfahren für den Betrieb nach Instrumentenflugregeln (engl. Instrument Flight Rules, IFR) (§33 II LuftVO & §33 III LuftVO). Um die Bedürfnisse und Interessen der beteiligten Parteien zu verstehen, ist eine Analyse des Prozesses und seiner Teilnehmer erforderlich. Die entsprechenden Rechtsnormen für Deutschland sind im „Luftverkehrsgesetz“ (LuftVG), in der „Luftverkehrsordnung“ (LuftVO), im „Gesetz über die Errichtung des Bundesaufsichtsamtes für Flugsicherung“ (BAFG) sowie im „Gesetz über den Schutz vor Fluglärm“ (FluLärmG) und den damit verbundenen Vorschriften festgelegt.

Prozess zur Festlegung von Flugverfahren

Das BAF ist für die Koordination der im Rahmen des Prozesses erforderlichen Maßnahmen zur Festlegung von Flugverfahren verantwortlich. Neben dem BAF sind die Fluglärmkommission (FLK) sowie die Deutsche Flugsicherung (DFS) maßgeblich am Prozess beteiligt. Die DFS ist für die technische Planung von Flugverfahren nach internationalen Vorschriften zuständig, wobei die Bevölkerung vor unzumutbarer Lärmbelastung zu schützen ist (vgl. §29b II LuftVG)[4].

Änderungsvorschläge für Flugverfahren müssen dem Umweltbundesamt (UBA) zur Stellungnahme vorgelegt werden. Basierend darauf trifft das BAF eine Entscheidung über die vorgeschlagene Änderung bzw. Neufestlegung der Flugverfahren. [1]

Bewertungsverfahren

Die Studie verwendet ein mehrdimensionales Bewertungsverfahren, um die oftmals diametral gegenüberstehenden Interessen der beteiligten Akteure abzudecken. Aus Transparenzgründen wird ein quantitativer Ansatz gegenüber einer qualitativen Methode bevorzugt. Da nicht jedes Kriterium quantitativ bewertet werden kann, verfolgt das Verfahren einen semi-quantitativen Ansatz. [5]

Hierfür müssen alle Bewertungskriterien in quantifizierbare Kriterien überführt werden, wodurch zusätzliche „Zwischen“-verfahren notwendig werden. Die Kosten-Nutzen-Analyse (KNA) gilt hier als die Methode der Wahl, da sie in der öffentlichen Verwaltung, insbesondere bei Bauvorhaben, einen bewährten Ansatz darstellt [6]. Das KNA-Verfahren und die daran anschließende Bewertung der Risiken und Unsicherheiten erfordert die Festlegung von Randbedingungen sowie eine monetäre Beurteilung der durch die Flugverfahrensänderung hervorgerufenen Auswirkung. [7]

Die KNA ist auch deshalb ein adäquates Bewertungsverfahren für Flugverfahren, da die monetäre Bewertung einem sehr einfachen und leicht verständlichen Ansatz folgt, der abhängig vom Detailgrad unterschiedlich komplex ausgeprägt sein kann. Die präzise monetäre Bewertung einzelner Kriterien ist eine zentrale Herausforderung bei der Anwendung der KNA auf einen Beurteilungsfall. Die Verständlichkeit des Ansatzes ermöglicht es auch einem fachfremden Publikum, dem Bewertungsverfahren zu folgen, wodurch die Transparenz in einem öffentlichen Diskurs unterstützt wird.

In der Literatur wird zwischen verschiedenen Arten von Effekten unterschieden, die mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren einer monetären Bewertung zugeführt werden können. Grundsätzlich wird zwischen internen (beabsichtigten) und externen (unbeabsichtigten) Effekten unterschieden [7]. Die Bewertung der einzelnen Effekte eines Flugverfahrens findet im vorliegenden Verfahren auf Ebene des betroffenen Haushaltes statt.

In vielen Fällen externer und interner Effekte fehlen jedoch die zur Bewertung der Auswirkung notwendigen beobachtbaren Preise. Diese können durch sog. Schattenpreise ersetzt werden [7]. Dies wären beispielsweise die Kosten für die Vermeidung von Lärmauswirkungen im Inneren eines Hauses mittels Schallschutzfenster.

In der Literatur stehen weitere Verfahren zur Ermittlung von Schattenpreisen zur Verfügung. Das vorliegende Verfahren bedient sich verschiedener Verfahren, um Schattenpreise für Effekte zu erhalten, die über keine beobachtbaren Preise verfügen.

Eine weitere Herausforderung für die monetäre Bewertung liegt in der zeitlichen Verteilung von Nutzen und Aufwänden über den Bewertungszeitraum. Sämtliche Bewertungen müssen sich dabei stets auf denselben Zeitraum beziehen.

Bewertungskritierien

Das entwickelte Bewertungsverfahren berücksichtigt nicht die Einhaltung der Vorschriften und die betriebliche Sicherheit der vorgeschlagenen Änderungen. Es wird davon ausgegangen, dass ein Flugverfahren, welches in Einklang mit allen internationalen Standards und gesetzlichen Vorschriften konzipiert wurde, ein angemessenes Maß an Sicherheit im Betrieb gewährleistet. Die betriebliche Eignung und Durchführbarkeit, gemeint ist hier nicht die betriebliche Leistungsfähigkeit oder die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse, wird ebenfalls als gegeben angenommen.

Schlussendlich bestimmt das Bewertungsverfahren die beste Alternative der untersuchten Flugverfahren. Bewertungsfaktoren, bei denen keine Unterschiede zu erwarten sind, werden daher nicht berücksichtigt. So ist davon auszugehen, dass die untersuchten Verfahren die gleiche Kapazität aufweisen. Somit ist eine Untersuchung dieser Effekte nicht notwendig.

Umwelt

Innerhalb des Bereichs Umwelt sind jene Kriterien enthalten, die eine Umweltauswirkung haben. Im Folgenden wird lediglich auf eine Auswahl von Umwelteffekten eingegangen, da eine Vielzahl von sekundären Umwelteinflüssen (bspw. auf Flora und Fauna) nur unzureichend quantifiziert werden können.

Zunächst sei hier die Lärmbelastung auf den Menschen zu nennen. Während die Auswirkungen der Lärmbelastung auf den menschlichen Körper noch Gegenstand der Forschung sind, ist ein allgemeiner negativer Effekt offensichtlich [8]. Das entwickelte Verfahren basiert auf einem vereinfachten Ansatz zur Berechnung der Kompensation negativer Effekte auf die Umwelt durch technische Maßnahmen.

Negative Auswirkungen auf den Wohnbereich eines Hauses können bspw. durch Schallschutzfenster abgedeckt werden. Die Berechnung dieser externen Kosten basiert auf dem Spitzenpegel, den Kosten für spezielle Fenster und der durchschnittlichen benötigten Fensterfläche je Wohngebäude. Für die Berechnung des Fensterbereichs ist ein Unterbewertungsverfahren erforderlich: Um eine Abschätzung der Fläche pro Einwohner zu ermöglichen, sind Daten zur Bevölkerungsdichte sowie eine durchschnittliche Haushaltsgröße erforderlich. Daraus ergibt sich die Anzahl der betroffenen Haushalte, die dann mit der durchschnittlichen Fensterfläche pro Haushalt multipliziert werden kann, die wiederum je nach Wohnungstyp variieren kann. Eine Bewertung der Art des Wohnraums in einem Gebiet kann mit Hilfe von Satellitenbildern erfolgen. Die Berechnung mit den erforderlichen Dämmwerten ergibt die durchschnittlichen Kosten für Schallschutzfenster.

Während die externen Kosten der Lärmbelastung im Innenwohnbereich einfach abzuschätzen sind, ist diese bei Außenwohnbereichen, z. B. Gärten, weniger offensichtlich und damit schwieriger, da es keine technische Möglichkeit der Kompensation gibt. Der Gesetzgeber verlangt eine Mindestentschädigung nach dem Standort des betroffenen Haushalts (§4 (2) 3. FlugLSV i.V.m. §2 (2) FluLärmG) und der Art der Unterkunft. (§5 3. FlugLSV). Diese Kompensationswerte können als Bewertung herangezogen werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass die einzelnen Beeinträchtigungen im Außenwohnbereich erheblich von diesen offiziellen Werten abweichen können.

Außergewöhnlich sensible Bereiche wie Krankenhäuser oder Kindergärten erfordern eine spezielle Bewertung, die auf einer technischen Lärmminderung basieren kann und dem oben beschriebenen Verfahren ähnelt. In seltenen Fällen sind sogar Kosten für eine Verlagerung der Anlage zu berücksichtigen.

Die durch Kraftstoffverbrennung im Triebwerk freigesetzten Luftschadstoffe sind ein wesentlicher Effekt des Flugbetriebs, da die globale Zivilluftfahrt derzeit flächendeckend auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe basiert. Einige der Schadstoffe sind in einem festen Verhältnis zum verbrannten Kraftstoff verknüpft, z. B. Kohlendioxid CO₂, andere sind variabel, basierend u. a. auf Schubzustand und Verbrennungstemperatur. Die wichtigsten Schadstoffe sind Stickoxide NO_X, Kohlenmonoxid CO, Schwefeldioxid SO₂, (nicht-verbrannte) Kohlenwasserstoffe C_XH_Y und Ruß. [9]

Sofern spezifische Angaben zur Menge von Schadstoffemissionen abgeschätzt wurden (bspw. durch Modellierung/Simulation der Flugverfahren) steht eine umfangreiche Datenbank mit verschiedenen externen Kostenabschätzungen zur Verfügung, welche u. a. auch vom UBA entwickelt worden ist [10].

Flugbetrieb

Der Treibstoffverbrauch ist ein wesentlicher Faktor bei der wirtschaftlichen Bewertung von Flugverfahren. Sofern die benötigte Kraftstoffmenge je Verfahren bekannt ist, sind die Kosten für den Kraftstoffverbrauch trivial zu berechnen, da ein Marktpreis für den Kraftstoff verfügbar ist.

Ein weiteres wichtiges Betriebskriterium ist die benötigte Flugzeit, die ein alternatives Flugverfahren erfordert. Längere Flugzeiten (z. B. aufgrund einer längeren Flugstrecke oder einer langsameren Fluggeschwindigkeit über Grund) verursachen einen Anstieg der zeitabhängigen Betriebskosten (z. B. Wartung pro Flugstunde oder Personalkosten pro Betriebsstunde). Leider sind Betriebskosten und jeweilige Kostenanteile der Fluggesellschaften für eine Bewertung nicht öffentlich zugänglich, wodurch es nur wenige bis gar keine öffentlichen Informationen für eine Bewertung gibt.

Mittels des IATA-Berichts „Airline Cost Management Group“ (ACMG) kann dennoch eine erste grobe Schätzung der Betriebskosten pro Flugstunde für einzelne Fluggesellschaften getroffen werden [11]. Zuvor ist der benötigte Zeitaufwand und Treibstoffverbrauch für ein spezifisches Verfahren durch Simulation zu berechnen, z. B. mit Hilfe der EUROCONTROL Base of Aircraft Data (BADA) für die Modellierung der Flugzeugleistung. [12]

Fluglärm- und Leistungsberechnung

Für Simulationszwecke im Rahmen der Demonstration des Bewertungsverfahrens (z. B. Lärmkonturen, Flugzeiten und Treibstoffverbrauch) wurde das Aviation Environmental Design Tool (AEDT) der US Federal Aviation Administration (FAA), Version 2d SP1, verwendet.

Mittels AEDT und dem darin integrierten BADA-Flugleistungsmodul wird die Flugzeugleistung in 4D (Raum und Zeit) modelliert, wodurch Fluglärm, benötigte Flugzeit, Kraftstoffverbrauch und Triebwerksemissionen berechnet werden können. Mit AEDT werden sowohl Einzelflugereignisse und Flugverkehrsszenarien im Umfeld von Flughäfen modelliert und Abhängigkeiten zwischen Treibstoffverbrauch, Lärmemission und Luftqualität umfassend untersucht. [13]

Die in der aktuellen AEDT Version 2d implementierten Methoden zur Fluglärmberechnung entsprechen der Methodik gemäß ECAC Doc 29 (4th Edition) [14] und der ICAO Doc 9911 (1st Edition) [15]. Die für den Fluglärm relevanten Flugtrajektorien und Flugleistungen werden gemäß ECAC Doc. 29, SAE-AIR-1845 [16] und EUROCONTROL BADA 3 Family berechnet. [13; 17]

Der für den Anwendungsfall entwickelte fiktive Flugplan, die Flugzeugtypen sowie die lateralen Verläufe der Flugverfahren wurden im Berechnungsprogramm hinterlegt. Gemäß der Streckenlänge im Flugplan (Großkreisdistanz von Abflug bis Ankunft) konnte von AEDT eine durchschnittliche Abflugmasse abhängig von der Großkreisdistanz bestimmt werden („Stage Length“).

Im Rahmen der Lärmstudie wird der energieäquivalente, a-bewertete Schallpegel L_Aeq für ein Rastermaß von 50×26 km und 200 m Gitterabstand berechnet, wobei der Flughafenbezugspunkt des Flughafens Berlin-Tegel den Mittelpunkt des Rasters darstellt. Emissionen, Treibstoff- und Zeitverbrauch werden zentral für jede einzelne Operation im Flugplan berechnet.

Anwendungsbeispiel

Das Anwendungsbeispiel basiert auf einem fiktiven Szenario einer Flugverfahrensänderung am Flughafen Berlin-Tegel. Dieser ist durch seine innerstädtische Lage mit dichter Bebauung für ein Bewertungsverfahren besonders geeignet, da ein erheblicher Teil der Bevölkerung vom Fluglärm betroffen ist. Im vorliegenden Anwendungsbeispiel werden zwei laterale und vertikale Variationen eines Abflugverfahrens in Betriebsrichtung West bewertet und anschließend die präferierte Variante ausgewählt.

Aufbau der Fallstudie

Das aktuell veröffentlichte Verfahren sieht einen geraden Abflug in Richtung Westen vor und ist als B-RNAV Abflugverfahren „BRANE 2L/2N“ im Luftfahrthandbuch für den Flughafen Berlin-Tegel veröffentlicht [16]. Die laterale Variation (innerhalb der Fallstudie als „Variante“ bezeichnet, gegenüber „Standard“) beinhaltet eine Rechtskurve in Richtung Norden direkt nach dem initialen Steigflug, damit die dicht besiedelten Bereiche von Berlin-Spandau und Falkensee umflogen werden können (vgl. Bild 1).

Die vertikale Variation besteht aus den zwei von der ICAO definierten lärmmindernden Abflugverfahren (Noise Abatement Departure Procedures (NADP) 1 und 2). (vgl. Tabelle 1)

Diese unterscheiden sich an dem Punkt, an dem die Schubreduktion einsetzt und eine Beschleunigung von Start- zur Steiggeschwindigkeit erfolgt. In Berlin-Tegel ist das NADP2-Verfahren das derzeit meistgeflogene operationelle Abflugverfahren (Tabelle 1). [18]

Das alternative Abflugverfahren wurde nach den grundlegenden Vorgaben gemäß ICAO PANS-OPS konzipiert [19].

Der im Szenario verwendete Flugplan basiert auf dem tatsächlichen Flugplan des 28. Juni 2016 als repräsentativer Tag. Weiterhin wurden Vereinfachungen im Flugplan vorgenommen, in dem die sechs häufigsten Flugzeugtypen verwendet wurden, um die Komplexität des Szenarios zu begrenzen. Trotz dieser Reduktion können 92,1% der Flüge abgebildet werden, die fehlenden Flüge werden im späteren Verlauf durch Hochrechnungen auf das Jahr (365 Tage) ausgeglichen, um externe Kosten für das gesamte Jahr zu erhalten. Die betrachteten Flugzeugtypen sowie die angenommenen Triebwerkstypen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die zu einem Simulationsszenario zusammengefassten Einzelflugereignisse wurden durch AEDT basierend auf dem oben beschrieben Flugplan berechnet. Die resultierenden Werte für Emissionsmenge und Treibstoffverbrauch konnten anschließend zur Bewertung der Kriterien genutzt werden. Die Bewertung der Kriterien ist im folgenden Kapitel dargestellt.

Ökologische Faktoren

Die im Anwendungsbeispiel ermittelten Emissionsmengen wurden direkt für den gesamten Flugplan in AEDT ermittelt (Masse je Schadstoffart). Die Menge wurde anschließend mit den externen Kosten je Gewichtseinheit multipliziert. Aufgrund der Komplexität der Bewertung externer Kosten für einzelne Schadstoffe, wird auf eine weitere Ausführung an dieser Stelle verzichtet.

Tabelle 3 stellt die Zwischenergebnisse und die Bewertungsergebnisse der Varianten im Bereich Schadstoffemissionen dar.

Für die Bewertung ist es notwendig, dass die Kosten für Lärmschutzfenster bestimmt werden. In Abhängigkeit des Bebauungstyps ist hierfür zunächst eine Approximation der vorhandenen Fensterfläche je Wohngebäude erforderlich. Für Ein/-Zweifamilienhäuser kann die Fensterfläche je Haushalt mit 40 m², bei Mehrfamilienhäuser mit 15 m² je Haushalt veranschlagt werden. [20]

Für das gesamte Untersuchungsgebiet wurde die Art der Bebauung aus öffentlich zugänglichen Satellitenbildern in diese zwei Kategorien eingeteilt. Aus verfügbaren GIS-Datensätzen zur durchschnittlichen Zahl der Einwohner je Haushalt wurde die Zahl der betroffenen Haushalte über die durchschnittliche Einwohnerdichte (2,02 Einwohner je Haushalt) ermittelt [21]. Anschließend kann die jeweilige Fensterfläche je Haushalt bestimmt werden und die Bewertung kann mittels gängiger Marktpreise für Schallschutzfenster (basierend auf 2,4 m² Fensterfläche je Fenster, abhängig von max. Schalldämmwert sowie Installationskosten je Fenster) vorgenommen werden.

Zur Berechnung der externen Effekte für den Außenwohnbereich wird ebenfalls auf das im obigen Kapitel beschriebene Verfahren zurückgegriffen. Es werden dazu dieselben Simulationsergebnisse wie diese für den Innenwohnbereich genutzt. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse wird die Anzahl der Haushalte mit einer äquivalenten Dauerschallbelastung über dem Grenzwert ebenfalls analog zum Innenwohnbereich ermittelt. Anschließend wird die Kompensation über die im obigen Kapitel beschriebenen Entschädigungssätze ermittelt und über eine durchschnittliche Wohndauer von 12 Jahren verteilt. Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt.

Die für die Betriebsszenarien notwendigen Kraftstoffmengen werden während der Simulation von AEDT mit Hilfe des BADA Performance Modells automatisch errechnet. Zur monetären Bewertung müssen daher lediglich Marktpreise und der Korrekturfaktor für die fehlenden Flüge im Flugplan angewandt werden. Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengefasst.

Um die Variantenauswahl durchführen zu können, ist es notwendig, die einzelnen Teilbewertungsergebnisse zu summieren. Das Summierungsergebnis kann Tabelle 9 entnommen werden.

Eine Betrachtung der absoluten Unterschiede ist zulässig und beträgt zwischen teuerstem und günstigstem Verfahren ca. 6,7 Mio. Euro im Jahr. Maßgeblich sind dabei vor allem die externen Kosten für Schadstoffe sowie die Zeit- und Kraftstoffkosten. Ganz entgegengesetzt zur allgemeinen Erwartungshaltung, dass die externen Kosten für Lärmausgleich überwiegen müssten.

Es zeigt sich, dass das AIP-Standardverfahren mit geradem Abflug hinsichtlich Treibstoffverbrauch und somit auch Schadstoffemissionen das kostengünstigere Verfahren darstellt, da die zurückgelegte Flugstrecke kürzer ist. Dies wird durch eine Betrachtung der Zeitkosten bestätigt.

Die Nordumfliegung von Spandau ist immissionsseitig lärm-ärmer, da absolut weniger Haushalte vom Fluglärm betroffen sind. Dies betrifft sowohl die Bewertung für den Innen- als auch Außenwohnbereich. Anhand der Bewertung für dieses Fallbeispiel wird auch deutlich, dass das NADP1-Verfahren (A-Standard und A-Variante) gegenüber dem NADP2-Verfahren (B-Standard und B-Variante) weniger fluglärmbezogene Kosten verursacht. Hier liegen im Mittel die Trajektorien des NADP1-Verfahrens höher, wodurch die Anzahl der lärmbetroffenen Haushalte und Grundstücke unterhalb der Flugbahn reduziert werden können.

Die Anwendung des Bewertungsverfahren auf den fiktiven Anwendungsfall zeigt, dass die Kosten-Nutzen-Analyse durchführbar ist und zu plausiblen Ergebnissen führt, die dazu geeignet sind, Abflugverfahrensvarianten effektiv zu unterscheiden und damit im Sinne der monetären Bewertung in eine Reihenfolge zu bringen.

Zur Berücksichtigung der Unsicherheit der Bewertung könnte die Methode um Unsicherheitsbereiche erweitert werden. Dabei könnte je Bewertungskriterium ein Wahrscheinlichkeitsbereich um den Erwartungswert der Bewertung gebildet werden (bspw. ein 95 % Intervall). In der Folge könnte in der Summierung eine Best- und Worst-Case-Szenarioberechnung ermittelt werden. Mit Hilfe der daraus resultierenden Fehlerbalken können die Varianten in einem Boxplot-Diagramm hinsichtlich signifikanter Unterschiede verglichen werden.

Das Bewertungsverfahren kann dabei auf einen beliebigen Flughafen angewandt werden. Die Komponenten müssen lediglich an die lokale Situation angepasst werden, so zum Beispiel auf die verwendeten Flugzeugtypen. Werden die einzelnen Sub-Bewertungsmodelle und Bewertungskostensätze bei der Übertragung an anderen Flughäfen beibehalten, ist auch eine Vergleichbarkeit zwischen mehreren Flughäfen möglich.