Aus Wissenschaft und Forschung 52 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 1 Einleitung Der Ausgangspunkt für die Studien der Gesellschaft für Tribologie (GfT) war die Feststellung, dass in der öffentlichen Diskussion und Wahrnehmung die Tribologie als eine Querschnittstechnologie nicht annähernd ausreichend berücksichtigt wird hinsichtlich Ihres breiten Angebotsportfolios zur Senkung von CO 2 und Ausbau der Nachhaltigkeit. Die Gesamtthematik wurde auf zwei Studien aufgeteilt, da auf der einen Seite „CO 2 -&Reibungsminderung“ und „Nachhaltigkeit & Verschleißschutz“ getrennte Technologieachsen darstellen und anderseits beide miteinander über die CO 2 -Thematik verwoben sind. Somit konnte die Komplexität der Wirkzusammenhänge gemindert und Klarheit geschaffen werden. Ziel dieser Studien ist auch, die Beiträge der Tribologie zu den aktuellen gesellschaftlichen Diskussionen herauszustellen. In einer Welt von Bits & Bytes werden auch in Zukunft Maschinen und Produkte benötigt, die in Maschinen und Produkten physisch alles umzusetzen und zu bewegen, und zwar vorzugsweise „reibungslos“. Diese Maschinen und Produkte bilden unzählige Reibstellen aus. An den Studien arbeiteten verschiedene GfT-Mitglieder mit: Querschnittstechnologie zur Minderung von CO 2 -Emissionen und zur Ressourcenschonung [1], 2019, M. Woydt, T. Gradt, T. Hosenfeldt, R. Luther, A. Rienäcker, F.-J. Wetzel, Chr. Wincierz, und Verschleißschutz und Nachhaltigkeit als Querschnittsherausforderungen, 2020, [2] M. Woydt, M. Bäse, T. Hosenfeldt, R. Luther, Chr. Scholz, J. Schulz, Chr. Wincierz. Die Bedeutung der Tribologie für die Minderung der CO 2 -Emissionen und für die Nachhaltigkeit Mathias Woydt* Eingereicht: 9. 10. 2020 Nach Begutachtung angenommen: 30. 11. 2020 Die Weltgemeinschaft hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen auf dem Niveau von 2004 zu stabilisieren, um die Klimaziele 500 ppm CO 2 in der Atmosphäre und eine mittlere Oberflächentemperaturerhöhung von 2 °C bis 2054 nicht zu überschreiten. Die Tribologie ist eine nicht direkt sichtbare Folge menschlicher Tätigkeiten und unterteilt sich auf in Energieverbrauch infolge von Reibungsverlusten und einem zusätzlichen Ressourcenverbrauch über Verschleiß und Versagen von Maschinenelementen. Das breite Angebotsportfolio der Tribologie zur Senkung von CO 2 und Ausbau der Nachhaltigkeit wird detailliert dargelegt. Durch konsequente Anwendung der existierenden Technologien ergibt sich ein mittel-/ langfristiges Minderungspotentiale von > ~11 Gigatonnen CO 2 oder > ~ 29 % von den 2019 global emittierten 37,9 Gigatonnen CO 2 . Schlüsselwörter CO 2 , Nachhaltigkeit, Reibung, Verschleiß, Tribologie, Wedges, Gesellschaft für Tribologie The importance of tribology for reducing CO 2 emissions and for sustainability goals The global community has set itself the goal of stabilizing greenhouse gas emissions at the 2004 level in order not to exceed the climate targets of 500 ppm CO 2 in the atmosphere and a mean surface temperature increase of 2 °C by 2054. Tribology is a not directly visible consequence of human activities and is divided into energy consumption due to friction losses and additional resource consumption through wear and failures of machine elements. The broad range of solutions offered by tribology to reduce CO 2 and increase sustainability is presented in detail. Consistent application of the existing technologies results in a medium/ long-term reduction potential of > ~11 gigatons of CO 2 or > ~ 29 % of the 37.9 gigatons of CO 2 emitted globally 2019. Keywords CO 2 , sustainability, friction, wear, tribology, wedges, GfT, German, Society for Tribology Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Mathias Woydt, Orcid-ID: http: / / orcid.org/ 0000-0002-0599-0109 MATRILUB, Berlin TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 52 Aus Wissenschaft und Forschung 53 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 70 percent of equipment failures is blamed on lubrication breakdown and wear loss; … Whereas reduction of friction is at the very core of improving fuel economy and reducing greenhouse gas emissions; …“. Diese Resolutionen wurden nicht beschlossen. Zuvor schon beinhaltete die industrielle Initiative -Industrial Innovationvon U.S. Präsident Jimmy Carter vom 31.10.1979 Querschnittstechnologien von volkswirtschaftlicher Bedeutung [7], wie Tribologie (Reibung, Schmierung und Verschleiß). Durch Veränderungen in den politischen Machtverhältnissen bliebt dieser Ansatz ohne Beachtung. Unter der Annahme eines 30-40 %igen Einsparpotentiales errechnet sich dann auf dieser Basis das mögliche Einsparpotential an Primärenergie durch Reibungsminderungen auf 10-13 %. 2.2 Verschleiß und Kosten Spontanversagen und Verschleiß sind tribologische Versagensmechanismen, welche Ersatz- und Instandsetzungsgeschäfte generieren, aber auch den Ressourcenverbrauch durch neues Equipment und Konsumgüter anheizen. Durch das Ersatz- und Instandsetzungsgeschäft entsteht ja kein neuer Primärnutzen, weil die Maschinen ohne Reibung und Verschleiß nicht ausgefallen oder verschlissen wären. Die Kommission für Schmierungstechnik (KfS) innerhalb der staatlichen Plankommission der Deutschen Demokratischen Republik (DDR) bezifferte für 1960 in einer vorsichtigen Hochrechnung das Einsparpotential in der Industrie als Folgen von Verschleiß und Havarien mit etwa 1,25 % des Bruttoinlandproduktes [8,9]. Die Materials Group des United States Office of Technology Assessment (OTA) bezifferte für 1975 die Kosten für Instandsetzungen und Reparaturen [10,11] für Automobile, Flugzeugen und Eisenbahnen, 2 Die volkswirtschaftlichen Bedeutungen 2.1 Energie und Reibung Die aus der Vergangenheit bekannten Studien (Siehe Tabelle 1) zur Bedeutung der Tribologie fokussierten sich auf monetäre Betrachtungen und Energieverbrauch. Die erste international bekannt gewordene Tribologiestudie von Sir Peter Jost (1966) bezifferte das Einsparpotential in Großbritannien an Primärenergie auf 5 % [3, 4] und die Studie aus 1977 der A.S.M.E. (USA) sogar mit 10,9 % [5]. Die U.S. Advanced Research Projects Agency-Energy (A.R.P.A.-E) [6] identifizierte 2016 für die USA ein volkswirtschaftliches Einsparpotential von 24,1 Exajoules (EJ) bzw. 24 % von Primärenergieverbrauch der USA durch tribologische Maßnahmen. Die Studien unterscheiden sich durch die einbezogenen Wirtschaftsbereiche. Dennoch ergibt sich ein Gesamtbild und gestützt durch neuere Studien können diese Studienergebnisse in CO 2 -Äquivalente umgewandelt werden, da in der Primärenergieerzeugung ein fossiler und damit CO 2 -Anteil steckt, je nach dem Energiemix der Volkswirtschaft. Im Jahr 2019 betrug der fossile Anteil an der weltweiten Primärenergieerzeugung 86 %. Der Import von Energieträgern, aber auch anderer Ressourcen, belastet die Handelsbilanz einer Volkswirtschaft. Daher hatte das Thema „Energieeffizienz“ wieder die amerikanische Politik erreicht. Die Resolutionen #916 vom 28.09.2016 bzw. #306 vom 02.05.2017 des House of Representatives stellen „die Bedeutung der Tribologie für die Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit der Vereinigten Staaten“ fest (hierzu auszugweise Zitate): „Whereas approximately a third of the world’s primary energy consumption is attributed to friction, and about Studie Erscheinungsjahr Einsparpotentiale an Energie Ökonomische Einsparpotentiale an Reibung und von Verschleiß in % vom Energieverbrauch in EJ bezogen auf den Verbrauch an Primärenergie 2017 in % vom BIP in Mrd. US-$ bezogen auf das jeweilige BIP von 2019 Deutschland (DDR) 1960 >1,25 % Jost (G.B.) 1966 5 % 0,4 EJ 2 % 2 % = 56,6 Mrd. $ O.T.A. of U.S. Congress 1976 0,86 % 1 % = 214 Mrd. $ A.S.M.E. (USA), Pinkus&Wilcock 1977 10,9 % 11,2 EJ (von 103 EJ) BMFT (DE) 1976 >1,5 %* 1 % = 34,3 Mrd. €* China (acht Industriebranchen) 2006 1,55 % 1,55%= 225 Mrd. $ A.R.P.A.-E (USA) 2016 24,0 % 24,1 EJ (von 102,9 EJ) Tabelle 1: Die volkswirtschaftliche Bedeutung (Historische Studien) TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 53 1,55 % des BIP (Bruttoinlandsprodukt 2006 von 2.774 Milliarden US-Dollar) entspricht [13]. Die volkswirtschaftlichen Einsparpotentiale in den USA, nicht Gesamtaufwendungen und rein monetär gesehen, liegen zwischen 0,86 bis 2,4 % des jeweiligen Bruttoinlandproduktes bzw. im zweibis dreistelligen Milliardenbereich. Aus dem damit zusammenhängenden Aus Wissenschaft und Forschung 54 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 also allein nur für „Transportation“, auf 46,8 Milliarden US-$ oder >2,4 % der Bruttoinlandproduktes und sah ein Einsparpotential von 25-30 %. Die Chinese Tribology Institution (CTI) [12] bezifferte 2006 die möglichen Ersparnisse für acht Branchen (Metallurgie, Energiewirtschaft, Eisenbahn, Automobilindustrie, Landwirtschaft, Schifffahrt) 41,4 Milliarden US-Dollar pro Jahr zu Preisen von 2006, was Einsparungen in China von Globales Ziel Zielvorgaben Attribute und Beiträge #3 Ein gesundes Leben für alle Menschen jeden Alters gewährleisten und ihr Wohlergehen fördern #3.9 Verschmutzung und Verunreinigung von Luft, Wasser und Boden erheblich zu verringern Bioschmierstoffe: Minderung der Partikelemissionen über verschleißbeständigere Werkstoffe. Harte Dünnschichten zum Ersatz von Chrom VI+ . #7 Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher, nachhaltiger und moderner Energie für alle sichern #7.2 Bis 2030 den Anteil erneuerbarer Energie am globalen Energiemix deutlich erhöhen Energieeffizienz; Langlebige Getriebe und Lager in Windenergieanlagen, Rekuperation #7.3 Bis 2030 die weltweite Steigerungsrate der Energieeffizienz verdoppeln Energieeffizienz durch Reibungsminderung bedeutet eine CO 2 - Reduktion #8 Dauerhaftes, inklusives & nachhaltiges Wirtschaftswachstum, produktive Vollbeschäftigung und menschenwürdige Arbeit für alle fördern #8.4 Bis 2030 die weltweite Ressourceneffizienz in Konsum und Produktion Schritt für Schritt verbessern und die Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Umweltzerstörung anstreben, im Einklang mit dem Zehnjahres-Programmrahmen für nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster … Ressourceneffizienz durch Verschleißschutz; adaptive Zustandsüberwachung, Tribotronik Produktivitätssteigerung von Baumaschinen durch effiziente Bio-Hydraulikfluide #9 Eine widerstandsfähige Infrastruktur aufbauen, inklusive und nachhaltige Industrialisierung fördern und Innovationen unterstützen #9.4 Bis 2030 die Infrastruktur modernisieren und die Industrien nachrüsten, um sie nachhaltig zu machen, mit effizienterem Ressourceneinsatz und unter vermehrter Nutzung sauberer und umweltverträglicher Technologien und Industrieprozesse, wobei alle Länder Maßnahmen entsprechend ihren jeweiligen Kapazitäten ergreifen Verschleißschutz= Materialeffizienz und Ressourcenschonung sowie Minderung von Feinstaub durch weniger Verschleißpartikel #12 Nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster sicherstellen #12.2 Bis 2030 die nachhaltige Bewirtschaftung und effiziente Nutzung der natürlichen Ressourcen erreichen. Schmierstoffe und Additive auf Basis nachwachsender Rohstoffe #12.4 Bis 2020 einen umweltverträglichen Umgang mit Chemikalien und allen Abfällen während ihres gesamten Lebenszyklus in Übereinstimmung mit den vereinbarten internationalen Rahmenregelungen erreichen und ihre Freisetzung in Luft, Wasser und Boden erheblich verringern, um ihre nachteiligen Bioschmierstoffe, verschleißarme Bremssysteme und Reifen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt auf ein Mindestmaß zu beschränken. #12.5 Bis 2030 das Abfallaufkommen durch Vermeidung, Verminderung, Wiederverwertung und Wiederverwendung deutlich verringern. Verschleißschutz= technische Langlebigkeit und Lebensdauerverlängerungen mindern das Abfallaufkommen, Re-raffinate - Zweitraffination von Gebrauchtöl #13 Umgehend Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und seiner Auswirkungen ergreifen* Energieeffizienz durch Reibungsminderung bedeutet eine CO 2 - Reduktion, Schmierstoffe aus nachwachsenden oder wiedergewonnenen Rohstoffen Tabelle 2: Die Ausstrahlung der Tribologie auf die 17 globalen Nachhaltigkeitsziele in der Agenda 2030 der Vereinten Nationen vom September 2015 TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 54 Ressourcenverbrauch kann man auf die resultierenden CO 2 -Emissionen aus der Extraktion, der Weiterverarbeitung und der Herstellung von Materialien schließen. Die volkswirtschaftlichen Gesamtaufwendungen für Verschleiß spannen einen Rahmen von >2,4 % bis hin zu 12 % von Bruttoinlandsproduktes [14], je nach dem betrachteten Industrie-& Warenkorb. 3 Die Umweltpolitischen Ziele 3.1 Das „Wedges“-Modell nach Socolow und Pacala Das „Wedges“-Modell der Princeton-Professoren Socolow und Pacala [15] von 2004 beinhaltet Arbeitsachsen, um die Treibhausgasemissionen in den nächsten 50 Jahren ab 2004 (KYOTO-Protokoll) auf dem Niveau von 2004 zu stabilisieren und die Klimaziele von 500 ppm CO 2 in der Atmosphäre und die mittlere Oberflächentemperaturerhöhung von 2 °C nicht zu überschreiten. Je nach „Schule“ erscheinen 7, 12 oder 31 Wedges [16] notwendig. • Ein „Wedge“ entspricht 1 Gigatonne Kohlenstoff/ Jahr oder 3,67 Gigatonnen CO 2 / Jahr. Die globalen, energiebedingten (Öl, Gas und Kohle) CO 2 -Emissionen betrugen 2018 (ohne die int. Luftfahrt) 33,3-33,9 Gigatonnen CO 2 . Unter Einbeziehung industrieller Nichtverbrennungsprozesse, wie der Baustoffproduktion (Zement, Ziegeln), erreichten 2018 die globalen CO 2 -Emission 37,9 Gigatonnen. 3.2 Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen Das globale Verständnis von Nachhaltigkeit in ihrem Wesen und in ihrem Nutzen muss sich an den 17 Nachhaltigkeitszielen (SDG= Sustainable Development Goals) der Vereinten Nationen von 2015 orientieren [17], die sich in 169 Zielvorgaben aufgliedern. Tabelle 2 fasst die direkten und indirekten Ausstrahlungen der Tribologie auf sechs der 17 globalen Nachhaltigkeitsziele mit den konkreten Beiträgen zusammen. 4 CO 2 -Minderungspotentiale durch Tribologie 4.1 CO 2 -Minderungspotentiale durch Reibungsminderung Die Minderungspotentiale an Primärenergie durch Reibungsminderung (Siehe Tabelle 1) haben eine große Spannbreite von 8,6 % (Holmberg, 2017) [18], 8 % (Holmberg, 2019) [19], 10,9 % (A.S.M.E., 1977) [5], 13 % (U.S. Congress, 2016) und sogar 24 % (A.R.P.A.-E, 2017) [6].  Unter der Annahme, dass die Reibungsverluste um 30-40 % gesenkt werden können, betragen die mittel- und langfristigen, globalen Einsparpotentiale auf Basis von 33,3 bzw. 37,9 Gigatonnen CO 2 -Emissionen (Siehe Fußnote 3) als möglicher und vernünftiger Beitrag der Tribologie (hier: Reibungsminderungen) 2,66-4,93 Gigatonnen CO 2 pro Jahr bzw. ca.1 Wedge. Die Bundesregierung (BR) hat zum Ziel, die Treibhausgasemissionen bis 2030 auf <563 Megatonnen CO 2 - Äquivalente [20] bzw. um dann -342 Megatonnen CO 2 (Basis: 2018) oder von -242 Megatonnen CO 2 (Basis: 2019) zu mindern. Bis 2040 sollen die CO 2 -Emissionen auf < 375 Megatonnen absolut sinken. Die Anwendung des zuvor genannten Schemas auf die CO 2 -Emissionen von Deutschland von 805 Megatonnen 2019 ergeben durch Reibungsminderungen rechnerische Minderungspotentiale von 64-104 Megatonnen CO 2 oder 26-43 % der bis 2030 angestrebten Minderungsmengen der Bundesregierung. Eine konsequent angewandte Reibungsminderung, im Wesentlichen mit verfügbaren Technologien, trägt beträchtlich zur Erfüllung oder Übererfüllung der CO 2 - Minderungsziele bei. Bedauerlich ist, dass die möglichen Beiträge durch die Tribologie bislang in der umweltpolitischen Diskussion unbeachtet blieben. 4.2 Reibungsbedingte CO 2 -Minderungen in der Fahrzeugtechnik Der umfangreiche Forschungscluster „Low Friction Power Train“ [21] der FVV/ FVA ermittelte verschiedene Maßnahmenkombinationen, welche 12,1 % als maximal mögliche Minderung des Kraftstoffverbrauchs durch Reibungsreduzierungen für einen Benzinmotor erzielten. In der Tabelle 3 werden diese maximalen Minderungen im Kraftstoffverbrauch auf den Kraftstoffabsatz angewandt, um eine Aussage zum Minderungspotential an CO 2 zu erhalten. Aus Wissenschaft und Forschung 55 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 Kraftstoffsorte Kraftstoffinlandsabsatz 2019 in Millionen Tonnen [22] 12,1% max. mögliche Minderung des Kraftstoffverbrauchs durch Reibungsminderungen im Fahrzeug In Millionen Tonnen In Milliarden Litern CO 2 -Minderung [Millionen Tonnen] Benzin 17,97 2,17 2,89 6,69 Diesel 38,85 4,70 5,63 15,27 Gesamt    21,96 Hinweis: Auf Basis der EU-weiten CO 2 Grenzwerte für Fahrzeugflotten ab 2020: 1 L Benzin= 2,317 kg CO 2 ; 1 L Diesel= 2,714 kg CO 2 . Dichten von Normkraftstoffen nach EN16528 bei 15°C: Benzin= 0,720- 0,775 g/ cm²; Diesel= 0,820-0,945 g/ cm² Tabelle 3: Reibungsminderungspotentiale im Verbrennungsmotor mit ihrer Auswirkung auf die CO 2 -Emissionen TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 55 dert sich der Kraftstoffverbrauch um ca. 0,80-1,60 % [28, 2 9 ], je nach Fahrzyklus. In einer weiteren konservativen Annahme von 1 % Kraftstoffersparnis durch einen deutlich angehobenen Viskositätsindex ergibt sich für Deutschland eine weitere Ersparnis an CO 2 von weiteren 1,64 Megatonnen CO 2 . Das für 2030 zu erreichende Sektorziel des Verkehrs an den Klimazielen der Bundesregierung beträgt 95-98 Megatonnen CO 2 -Äquivalenten absolut, was einer Minderung um -65,6 bis -68,6 Gigatonnen CO 2 -Äquivalenten entspricht. Durch eine gedankliche Addition des Maßnahmenkataloges aus dem Forschungscluster „Low Friction Power Train“ mit dünnviskoseren Ölen und Ölen mit deutlich angehobenem Viskositätsindex ergibt sich ein Minderungspotential für Reibungssenkungen von >14 % des Kraftstoffverbrauchs. Diese >14 % entsprechen einem CO 2 -Minderungspotential im Verkehr von >22,9 Megatonnen oder 33-35 % der noch zu leistenden CO 2 -Minderung bis 2030. Bezieht man das Minderungspotential im Kraftstoffverbrauch durch Reibungssenkungen von >14 % auf den Inlandsabsatz von Kraftstoffen [22] 2019 (Siehe Tabelle 4) mit ein, so ergäben sich sogar >25,4 Megatonnen weniger CO 2 . 4.3 CO 2 -Minderungspotentiale durch Verschleißschutz und Zustandsüberwachung Ausgangspunkt für die Quantifizierung des Beitrages vom Verschleißschutz und der Zustandsüberwachung auf die CO 2 -Emissionen ist der Ressourcenverbrauch, insbesondere derjenige mit einem Bezug zur Tribologie. Der Material-Fußabdruck der Menschheit 2017 erreichte 92,1 Gigatonnen an Masse zzgl. 8,6 Gigatonnen Rezyklaten und im Stoffstrom von 100,6 Gigatonnen stecken unweigerlich CO 2 -Emissionen durch Extraktion, Weiterverarbeitung und Produktion (Siehe Tabelle 5). Der Beitrag von Lebensdauerverlängerungen infolge eines verbesserten Verschleißschutzes und modernen Zustandsüberwachungen ist derzeit nur schwer abzuschätzen, da die eingesparten Tonnagen an CO 2 -Emissionen Aus Wissenschaft und Forschung 56 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 Der Forschungscluster „Low Friction Power Train“ betrachtete Schmierstoffaspekte nicht. Insofern ergeben sich weitere Beiträge zur Reibungsminderung durch Schmierstoffe über zwei Achsen: 1. Niedrigviskosere Öle und/ oder 2. Öle mit einem hohen Viskositätsindex 1 . Es besteht Übereinstimmung in den verschiedenen systematischen Untersuchungen zum Einfluss der Motorölviskosität auf den Kraftstoffverbrauch in genormten Fahrzyklen, sowohl bei PkWs, als auch bei Nutzfahrzeugen, dass mit abnehmender Viskosität der Kraftstoffverbrauch sinkt, wobei der absolute Beitrag zusätzlich von der Motorenkonstruktion und werkstofflichen Ausgestaltung abhängt. Tabelle 4 beziffert die möglichen Kraftstoffersparnisse durch die Absenkung der „high temperature, high shear“-Viskosität (HTHS bei 150 °C) um 1 mPas. Die klimawirksamen CO 2 -Emissionen des Straßenverkehrs in Deutschland betrugen 2019 ca. 163,6 Megatonnen CO 2 -Äquivalenten [20, 23]. Wendet man eine konservative Annahme von 1 % Kraftstoffersparnis durch eine Viskositätsabsenkung um 1 mPas an, so ergibt sich für Deutschland eine weitere Ersparnis an CO 2 von zusätzlichen >1,64 Megatonnen CO 2 durch dünnviskosere Schmierstoffe. Bei transienten Betriebsweisen in der Öltemperatur (Kurzstrecken, kalt-warm-kalt-Fahrprofile) eröffnen Motorenöle mit hohem Viskositätsindex Vorteile in der Reibungsminderung ohne Kompromisse bei der Schmierfilmhöhe (Verschleißschutz), weil deren Viskosität viel weniger von der Öltemperatur abhängt. Dies bedeutet, dass man bei tiefen Temperaturen ziemlich dünnviskos verbleibt, obwohl man bei hohen Öltemperaturen dieselbe Viskosität bzw. Schmierfilmhöhe höherviskoser Öle besitzt. Durch den hohen VI ist die optimale Rheologie und damit die Energieeinsparung über einen weiten Arbeitstemperaturbereich gegeben. Durch eine beispielsweise Anhebung des Viskositätsindex eines Motorenöles durch strukturell angepasste Viskositätsindex Verbesserer von z. B. von 164 auf ca. 240 min- 1 Der Viskositätsindex (VI) ist ein Maß zur Stabilität der Viskosität mit ansteigender Öltemperatur. Bei jedem Schmierstoff nimmt mit ansteigender Öltemperatur die Viskosität (Zähigkeit) um Zehnerpotenzen ab. Ein hoher VI bedeutet, dass die Abnahme der Viskosität mit zunehmender Öltemperatur geringer ist. Studie Testzyklus Kraftstoffersparnis in % pro Absenkung der dynamischen Viskosität HTHS bei 150°C [% FE pro HTHS 150C in mPas] R.I. Taylor et al., 2004 PkW (M111) ~1,6 Van Dam et al., 2009 LkW (13 mode ESC cycle) ~0,8 M. Carvalho et al., 2014 PkW (NEDC) ~1,5 Luther et al., 2016 PkW (NEDC, 1,8L Otto) ~2,85 Luther et al., 2016 PkW (NEDC, 1,0L Diesel) ~4,00 Tabelle 4: Zusammenhänge zwischen Viskosität (HTHS) und Einsparungen im Kraftstoffverbrauch (FE= Fuel economy) [24,25,26,27] und Ressourcen den jeweiligen Stoffströmen nicht unmittelbar zugerechnet werden können und nicht quantifizierbar sind (Siehe Tabelle 5). Biomassen können erst einmal als CO 2 -neutral eingestuft werden und die Schmierungstechnik kann hier als Endabnehmer für Kraftsto dynami [% FE p senkung der ei 150°C TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 56 Schmierstoffe und Additive auf Basis nachwachsender Rohstoffe auftreten. 15,047 Gigatonnen an fossilen Energieträgern, die zumeist in der Mobilität oder Energieerzeugung verbrannt werden, sind quasi „weg“ und die Tribologie kann den Primärenergiebedarf durch Reibungsminderung reduzieren (Siehe Kapitel 2.1). Nichtmetallische Mineralien (Baustoffe, mineralische Rohstoffe), wie Sand, Kies und Kalkstein, etc., stellen dann mehr als die Hälfte des gesamten Materialeinsatzes dar, wo die Tribologie allenfalls über langlebigere Fahrbahnbeläge interagieren kann (Minderung an Feinstaub). Dennoch wird hier schon intuitiv klar, dass durch Lebensdauerverlängerungen automatisch auch CO 2 -Ein- Aus Wissenschaft und Forschung 57 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 2 Es gibt verschieden zusammengesetzte Emissionsmengen. Die Treibhausgasemissionen in Deutschland betrugen 2018 858,3 Megatonnen CO 2 -Äquivalenten oder 755,3 Megatonnen CO 2 (ca. 88 %) und mit Berücksichtigung des Luftverkehrs 888,3 Megatonnen CO 2 -Aquivalente. Die Treibhausgasemissionen gingen 2019 auf 805 Mega-tonnen CO 2 -Äquivalente (ohne Luftfahrt) bzw. 683,8 Megatonnen CO 2 zurück. 3 Es gibt verschieden zusammengesetzte Emissionsmengen. Die globalen, energiebedingten (Öl, Gas und Kohle) CO 2 - Emissionen betrugen 2018 (ohne die int. Luftfahrt) 33,3-33,9 Gigatonnen CO 2 . Unter Einbeziehung indus-trieller Nicht- Extraktion nach Materialgruppe Gigatonnen Bezug zur Tribologie Globale Rohstoffentnahme 92,063 Rezyklate 8,600 Re-Raffination von Gebrauchtölen Gesamter Stoffstrom 100,663 Mineralische Rohstoffe (nichtmetallisch) -43,834 Lebensdauerverlängerungen von Fahrbahnbelägen Biomassen jeglicher Art -24,062 Schmierstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe Fossile Energieträger -15,047 Reibungsminderung senkt den Primärenergieverbrauch Potentieller Ressourcenpool für Maßnahmen über Verschleißschutz 17,735 Eine abgenommene Verdoppelung der Nutzungsdauer von Maschinen, Anlagen und Konsumgüter halbiert den Ressourcenverbrauch Primärmetall CO 2 -Äquivalent [Tonne Metall] Globale Produktion 2018 in tausend Tonnen Rechnerische CO 2 -Emissionen aus der Primärerzeugung in tausend Tonnen Titan 45 7.200 324.000 Nickel 42 2.330 97.860 Chrom 25 12.300 307.500 Magnesium 20-26 1.100 >22.000 Aluminium 14 (EU27) 64.800 64.814 Zink 9,8 13.400 131.320 Molybdän 3,4-14,8 259 881-3.788 Kupfer* 5,5-9,5 23.600 129.800- 224.200 Plastik + ~3,4 360.000 ~1.224.000 Stahl (Eisen) >1,8 1.808.000 >3.254.400 Zement 0,6-1,3 4.200.000 2.520.000-5.460.000 Zum Vergleich Deutschland 2019 2 805.000 Globale CO 2 - Emissionen 2018 3 37.900.000 Tabelle 5: Globale Rohstoffentnahme 2017 [31, 32] Tabelle 6: Durchschnittliche CO 2 -Emissionen bei der Primärerzeugung einer Tonne Primärmetall und -werkstoff [33,34,35,36,37,38] *aus Konzentraten, „open pit“ Mine; + Plastik= Thermoplaste, Polyurethane, Duroplaste, Elastomere, Klebstoffe, Beschichtungen und Dichtungsmittel sowie Polypropylen‐Fasern. Rechnerische C aus der Primä tausend Tonnen 2.520.00 2.520.00 2.520.00 verbrennungsprozesse, wie der Baustoffproduktion (Zement, Ziegeln), erreichten 2018 die globalen CO 2 - Emissionen 37,9 Gigatonnen. Die gesamten, globalen Treibhausgasemissionen betrugen 2018 ca. 51,8 Gigatonnen CO 2 -Äquivalenten (U.N. Emissions Gap Report 2019). Die Differenz zu den CO 2 -Emissionen ergibt sich u.a. aus dem Anteil an anthro-pogenen, nicht CO 2 - Treibhausgasemissionen (CH4, N2O, SF6, FKW, NF3). Mit Einbeziehung der Emissionen aus Landnutzung, Landnutzungsänderungen und Forstwirtschaft emittierte die Menschheit 2018 55,3 Gigatonnen CO 2 -Äquivalenten an Treibhausgasen. uchtölen gen von fe t den oppelung der hinen, Anlagen rt den Extraktion n Globale Roh Rezyklate Gesamter St Mineralische metallisch) Biomassen je Fossile Energ Potentieller Maßnahmen (Bio)‐Schmierstoffe auf Basis TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 57 2. Feinstaubemissionen durch Bremsenabrieb (2017) betrugen in Deutschland ca. 111.000 Tonnen [44]. Straßenbahnen und Eisenbahnen tragen auch zu den Partikelemissionen bei über: a. Pentographen (Stromabnehmer), b. Radreifen (auch wenn aus Stahl! ) und c. Bremsen. Zur Minderung des Bremsenabriebs hat PORSCHE erstmals Ende 2017 eine mit Hartmetall beschichtete Graugussbremsscheibe (Porsche Surface Coated Brake (PSCB)) vorgestellt, welche ca. 90 % weniger „Bremsstaub“ generiert [45]. Derartige Lösungsansätze sollten breit angewandt werden, da sie Minderungspotentiale beim fahrzeugbedingten Feinstaub von 50-75 % versprechen. Reifen und Bremsen werden auch in batterie- und mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen vorhanden sein. Verschleißbeständigere Werkstoffe leisten einen Beitrag zur Minderung der Feinstaubbelastungen und mindern den Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt. 5 Schlussfolgerungen Die CO 2 - und Nachhaltigkeitsdebatte verkennt den Wirkzusammenhang zwischen Reibung und CO 2 -Emissionen und die Verbindung zwischen Verschleißschutz und Nachhaltigkeit. Beide erreichten bislang nicht die politische Diskussion. Die Tribologie offeriert bedeutende CO 2 -Minderungspotentiale von ca. 3 Wedges durch: a. CO 2 -Minderung durch Reibungsminderungen (Energieeffizienz) und b. Minderung des Materialfußabdruckes (Ressourcenschonung, Materialeffizienz). Ein angenommenes Einsparpotential von 30-40 % der Reibungsverluste mindert die globalen CO 2 -Emissionen um 2,66-4,93 Gigatonnen CO 2 pro Jahr. Eine hypothetische Verdoppelung der allgemeinen Lebensdauer über Verschleißschutz und Condition-Monitoring erspart rechnerisch ca. 8,8 Gigatonnen Ressourcen pro Jahr verbunden mit einem Äquivalent von >1 Tonne CO 2 pro Tonne Ressource/ Grundstoff. In der Addition ergeben sich mittel-/ langfristige Minderungspotentiale durch Tribologie von >11 Gigatonnen CO 2 oder >29 % von den 2019 global emittierten 37,9 Gigatonnen CO 2 bzw. >1,1 Gigatonnen CO 2 von den 2018 emittierten 3,76 Gigatonnen CO 2 der EU27 (ohne G.B.). Aus Wissenschaft und Forschung 58 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 5-6/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0027 sparungen einhergehen, da weniger Produkte ersetzt werden müssen. Die Ressourcenfrage ist der CO 2 -Thematik bislang untergeordnet, wenn auch die Prognosen von einer Steigerung des Materialfußabdruckes von den derzeitigen 92,1 Gigatonnen (2017) auf über 190 Gigatonnen (2060) ausgehen [30]. Dies erklärt sich durch einen weiteren Zuwachs der Weltbevölkerung und durch einen allgemeinen Wohlstandszuwachs. Eine angenommene Verdoppelung der allgemeinen Nutzungsdauer von Maschinen, Anlagen und Konsumgütern durch die Technologien des Verschleißschutzes erspart rechnerisch ca. 8,87 Gigatonnen an Ressourcen pro Jahr (Siehe Tabelle 5). Folglich sind Maßnahmen zur verschleißbedingten Verlängerung der Nutzungsdauer mehr als geboten, um den Materialfußabdruck durch Verschleißschutz zu senken. In der Gewinnung von Grundstoffen (Metalle, Kunststoffe, Zement) aus Ressourcen, wie Erze, Mineralien und Rohöl, entstehen CO 2 -Emissionen. Bei den Metallen müssen die zumeist oxidischen, aber auch sulfidischen, Erze zu Metall reduziert werden, sodass CO 2 und auch SO 2 entstehen (Siehe Tabelle 6). Der globale Materialfußabdruck der „Metalle“ 2017 betrug 9,120 Gigatonnen [39]. Bei der Gewinnung von Metallen, die zur Herstellung von Maschinenelementen bzw. Reibstellen (Tribosysteme) notwendig sind, entstehen Prozessemissionen, welche sich aus einem kumulierten Energieaufwand (KEA) und Rohstoffaufwendungen (KRA) in der Gewinnungsphase zusammensetzen sowie als CO 2 - Äquivalent darstellen. Tabelle 4 fasst die CO 2 -Äquivalente für ausgewählte Metalle und Grundstoffe zusammen. Man kann konservativ mindestens eine Tonne CO 2 pro Tonne Metall/ Grundstoff annehmen. Eine hypothetische Verdoppelung der allgemeinen Lebensdauer erspart rechnerisch ca. 8,87 Gigatonnen an Ressourcen pro Jahr verbunden mit einem Äquivalent von > 8,87 CO 2 -Emissionen oder ca. 2 Wedges, da entsprechend weniger Neuanschaffungen notwendig werden. 4.4 Verschleißschutz und Feinstaubemissionen Feinstaubemissionen fallen unter das Nachhaltigkeitsziel SDG #3 und #9 der Vereinten Nationen. Zirka 90 % der Partikelemissionen des Straßenverkehrs sind „nontailpipe“ [40]. Reifen und Straßen generieren in ganz Europa ca. 1 kg PM 10 Feinstaub 4 pro Einwohner und Jahr, während es in dem Ballungsraum von Paris (Îlede-France) ca. 1,8 kg pro Einwohner und Jahr sind. 1. Feinstaubemissionen durch Reifenabrieb [41, 42]: a. Europäischen Union= ca. 1.327.000 Tonnen [43] b. Deutschland= 133.000 Tonnen bzw. ca. >160 Gramm Reifenabrieb pro Straßenmeter 4 PM 10 = particulate matters < 10 µm. TuS_5_6_2020.qxp_TuS_Muster_2020 09.12.20 16: 09 Seite 58 Literatur [1] M. Woydt, T. Gradt, T. Hosenfeldt, R. Luther, A. Rienäcker, F.-J. Wetzel and Chr. 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