13 Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 3/ 2021 FacHartiKEl Wechselwirkungen zwischen CO 2 -Emissionen und Reibung sowie Nachhaltigkeit und Verschleißschutz - Reibung, Verschleißschutz und Nachhaltigkeit sind über CO 2 miteinander verbunden Dr. Mathias Woydt, MATRILUB, Berlin Tribologie ist eine kaum wahrgenommene Konsequenz menschlichen Handelns. In der öffentlichen Diskussion und Wahrnehmung wird die Tribologie jedoch nach Ansicht der Deutschen Gesellschaft für Tribologie (GfT) mit ihrem breiten Leistungsspektrum zur CO 2 -Reduzierung für den Klimaschutz und zur Nachhaltigkeit als eine Querschnittstechnologie nicht annähernd ausreichend berücksichtigt. Gegenüber dem leicht nachvollziehbaren Zusammenhang zwischen „CO 2 und Reibung“ ist das Zusammenspiel von „Verschleißschutz und Nachhaltigkeit“ komplexer. Menschliches Handeln wurde schon immer mit Geld bewertet. Direkte und eingebettete Emissionen von CO 2 oder CO 2 -Äquivalenten (CO 2eq. ) stellen die Währungen oder den „Goldstandard“ der Zukunft für Nachhaltigkeit dar, um menschliche Aktivitäten zu vergleichen und deren Folgen zu bewerten [1][2]. Die volkswirtschaftliche Bedeutung der Tribologie wurde in der Vergangenheit mehrfach untersucht und quantifiziert, wobei die CO 2 -Emissionen und Material-Fußabdrücke jedoch unberücksichtigt blieben (siehe Tabelle 1). Die primären Motivationen bestanden darin, das Potenzial zur Verringerung der Abhängigkeit von Ölimporten zu untersuchen. Die Studien von Sir Peter Jost [3], A. S. M.E [4] und A. R. P.A.-E [5] weisen auf Einsparungen beim Primärenergieverbrauch hin, die je nach lokalem Strommix mit CO 2 - Emissionen korreliert werden können. Studie Jahr des Erscheinens Einsparpotential an Primärenergiel In % von Primärenergieverbrauch In EJ bezogen auf den Primärenergieverbrauch des benannten Jahres Jost (G.B.) 1966 5 0,4 EJ A. S. M.E. (USA), Pinkus & Wilcock 1977 10,9 10 EJ (93 EJ) Holmberg et al. 2017 8,6 A. R. P.A.-E (USA) 2017 24 24,1 EJ (von 102,9 EJ) Holmberg et al. 2019 8,0 1 EJ= 10 18 Joules; A. S. M.E.= The American Society of Mechanical Engineers; Primärenergieverbrauch (Total primary energy supplies (TPES)) in 2019: global= 584 EJ. USA= 105,7 EJ. Deutschland= 13,1 EJ; Tab 1: Einsparpotentiale an Primärenergie durch Reibungsminderungen [1, 2, 10] Dr. Mathias Woydt Dr. Mathias Woydt ist geschäftsführender Gesellschafter von MATRILUB Materials | Tribology | Lubrication mit 35 Jahren Berufserfahrung in der Tribologie und Schmierungstechnik. Er ist Träger des ASTM Award of Excellence und STLE Fellow sowie Mitglied im Vorstand der Ges. f. Tribologie e. V. 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[6, 7] gehen 20-23 % (absolut) des gesamten Primärenergieverbrauchs durch Reibung verloren mit einem geschätzten, langfristigen Einsparpotenzial von 40 %. In Resolutionen des US-Kongresses (nicht angenommen! ) hieß es, dass „ungefähr ein Drittel des weltweiten Primärenergieverbrauchs auf Reibung zurückzuführen ist“ [8]. Aus den verschiedenen Studien ergibt sich eine Spanbreite an absoluten Potenzialen zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs durch Reibung: Jost 1966: 5 %; Holmberg 2019: 8 %; Holmberg 2017: 8,6 %; A. S. M.E. 1977: 10,9 %; U.S. Congress 2016: 12 %; A. R. P.A.-E 2017: 24 %. Die fossilen (also anthropogenen), direkten oder energiebedingten CO 2 -Emissionen kumulierten sich 2019 auf 33,6 Gigatonnen CO 2 [9]. Unter der Annahme langfristiger Einsparungspotenziale durch tribologische Maßnahmen von 30- 40 % des Reibungsanteils im Primärenergieverbrauch ergibt sich CO 2 -Reduktionspotenzial im Bereich von 2,7 Gigatonnen bis 8,1 Gigatonnen oder 8-24 % der globalen und direkten CO 2 -Emissionen. Neben Schmierstoffen bieten die Dünnschichttechnologien und alternativen Legierungen die vielseitigsten und sichersten Technologien zur Reibungsreduzierung an. Es ist zu beachten, dass durch die Einbeziehung nicht energiebedingter CO 2 -Emissionen, wie Zement- und Ziegelfertigung, weitere +4,4 Gigatonnen CO 2 hinzukommen, zusätzlich andere Treibhausgase (THG), wie Methan (CH 4 ), Stickstoffoxid (N 2 O), Schwefelhexafluorid (SF 6 ), teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Ether und perfluorierte Verbindungen, sowie Landnutzungsänderungen (LUC) die CO 2 -Emissionen, beide umgerechnet als CO 2 -Äquivalente, die gesamten Treibhausgasemissionen 2019 sich auf 59,1±5,9 Gigatonnen CO 2eq. erhöhen [9]. In einer Welt von Bits, Bytes und Bitcoins wird die Reibung in beweglichen Teilen und Maschinenelementen weiterhin Energie in Wärme umwandeln. Die Reduzierung der Reibung ist nicht nur ein generelles Thema oder ein Thema für Verbrennungsmotoren, sondern auch für Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge, denn die Reduzierung der Reibung in Elektroantrieben erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Insgesamt ist die Reibungsreduzierung eine dominierende Teilmenge der Energieeffizienz und als solche gut eingebettet in die Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals (SDG)) der Vereinten Nationen [11]. Energieeffizienz findet sich im SDG #7.3 „Bis 2030 die weltweite Steigerungsrate der Energieeffizienz verdoppeln“ und im SDG #13 „Umgehend Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und seiner Auswirkungen ergreifen“. Wünschen Sie ein persönliches Beratungsgespräch und passgenaues Angebot? 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Nachhaltigkeit in modernen Gesellschaften in Verbindung mit Ressourcenverbrauch wird eines der wichtigsten globalen Ziele der Zukunft sein. Stoffströme, Ressourcenverbrauch und der „Materialhunger“ unterliegen einem wachsenden gesellschaftspolitischen Diskurs, der eine Verbesserung der ökotoxikologischen Eigenschaften sowie eine Überprüfung und Optimierung von Eigenschaftsprofilen nach den Nachhaltigkeitskriterien der UN SDG fordert. Die Tribologie beeinflusst den Einsatz und die Langlebigkeit von Materialien über alle Industriebereiche und Konsumgüter hinweg und beschränkt sich nicht auf die Mobilität. Die versteckten und komplexen Wechselwirkungen zwischen Verschleißschutz und Nachhaltigkeit Langlebigkeit hat keine Verbindung zur Technosphäre der Kreislaufwirtschaft, aber die Verlängerung des Produktlebenszyklus entkoppelt folglich den Materialverbrauch vom Wirtschaftswachstum und reduziert Abfallströme sowie mindert den Ressourcenverbrauch. Der Materialfußabdruck Jede Rohstoffgewinnung und deren Verarbeitung hat immer Auswirkungen auf die Umwelt. Die globalen Stoffströme stellen den Ausgangspunkt für Bewertungen der Auswirkungen des Ressourcenverbrauchs auf die damit verbundenen eingebetteten CO 2 -Emissionen (CO 2 -Rucksack) von Primärressourcen dar. Der materielle Fußabdruck menschlicher Aktivitäten erreichte 2017 92,1 Gigatonnen (= Milliarden Tonnen) an Stoffmasse [12] plus 8,6 Gigatonnen an zyklierten Stoffen [13], was zu einem Stoffstrom von 100,6 Gigatonnen führt, der zwangsläufig CO 2 -Emissionen aus Gewinnung, Verarbeitung und Produktion enthält (siehe Tabelle 2). Fossile Energieträger tragen nur ~15 % (oder 15,1 Gigatonnen) zu diesem globalen Stoffströmen bei. Nichtmetallische Mineralien (Baustoffe, mineralische Rohstoffe) wie Sand, Kies und Kalkstein etc. machen mit 43,8 Gigatonnen mehr als die Hälfte des gesamten stofflichen Abbaus aus und haben möglicherweise keinen Bezug zur Tribologie. Zement spielt in diesem Stoffstrom eine bedeutende Rolle (siehe Tabelle 3). Der Zementverbrauch für Straßen und Autobahnen, welche mit dem Reifen ein Tribosystem ausbilden, betrug 33 % in den USA (2015) [14] und in China (2019) 22,4 % des gesamten Zementverbrauchs [15]. Schließlich beträgt der potenzielle Ressourcenpool, der vom Verschleißschutz betroffen ist, mindestens 17,7 Gigatonnen. Für das Jahr 2017 gibt es folgende Mengen an technischen Stoffströmen, die weitere Studien und Untersuchungen erfordern, um Stoffströme zuzuordnen, die in Anwendungen und Endverwendungen mit Tribosystemen einhergehen oder „das funktionale Profil“ von Tribosystemen bestimmt sind: a. 17,720 Gigatonnen (abgeleitet aus den Zahlen vom U.N. Resources Outlook 2019), b. 9,120 Gigatonnen an “metal ores” (U.N. Resources Outlook 2019, p. 43) [12], c. 10,1 Gigatonnen an “metal ores” (Circularity Report 2020, p. 18) [13] and d. >6,642 Gigatonnen “Ingenieurwerkstoffen” (Siehe Table 2). Unabhängig von der Tatsache, dass die verschiedenen Stoffmengen weitere Präzisierungen zukünftig erfahren müssen, stellt sich die Frage nach dem darin eingebettetem CO 2 ? Die Auswirkung des jährlichen weltweiten Verbrauchs von rund 40 Millionen Tonnen oder 0,040 Gigatonnen Schmierstoffe ist innerhalb der globalen Stoffströme marginal, kann aber angesichts der Gesamtmenge der Stoffströme an Biomassen theoretisch vollständig aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. CO 2 -Emissionen aus der Extraktion von Metallen/ Materialien In einer Welt von Bits&Bytes&Bitcoins wird es weiterhin Maschinen mit beweglichen Elementen geben, die aus Materialien bestehen und für eine niedrige Reibung und Langlebigkeit geschmiert werden müssen. Der weltweite Materialverbrauch von 92,1 Gigatonnen im Jahr 2017 (+ 8,6 Gigatonnen Kreislaufprodukte) soll bis 2060 auf 167 Gigatonnen (U.N. Abb. 1 (© Jenny Sturm - stock.adobe.com) 17 Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 3/ 2021 Environment) [12] bzw. 190 Gigatonnen (O. E. C.D.) [16] steigen. Diese Prognosen erhöhen unweigerlich den Verbrauch von Metallen und Mineralien, die im Maschinenbau verwendet werden, sofern ausreichend vorhanden, sowie die damit verbundenen CO 2eq. - Emissionen. Die Tabelle 3 schätzt die CO 2eq. -Emissionen von den globalen Materialströmen wichtiger Spezialmetalle und bedeutender, technischer Metalle sowie nichtmetallischer Werkstoffe ab, die in Produkte jeglicher Art gelangen, wie für die Mobilität, Maschinen, Anlagen, Infrastruktur, Gebäuden, Haushaltsgeräten usw. Diese Daten wurden von int. Industrieverbänden oder aus der Literatur bezogen [2, 10]. Die CO 2eq. -Emissionen für die Primärproduktion einer Tonne der gesamten Primärmetalls oder -materials, die in Tabelle 2 dargestellt sind, liegt im Mittel zwischen 1,39: 1 bis 1,86 Tonnen CO 2eq. pro Tonne Material. Unter Berücksichtigung der Spannbreiten in den Dichten von Kraftstoffen aus der EN16528 errechnen sich Emissionsfaktoren von 3,032-3,494 Tonnen CO 2 pro Tonne Kraftstoff [17]. Aus den Zahlen der Vereinten Nationen errechnet sich ein ähnliches Verhältnis zwischen den CO 2eq. - Emissionen und extrahierten Materialien/ Metallen von 1,38: 1. Dieses Verhältnis errechnet sich für 2015 aus den THG-Emissionen von 11,5 Gigatonnen CO2 eq. (U.N. Emissions Gap Report 2019, S. XXV und S. 56) geteilt durch den Material-Fußabdruck für 2015 von 8,3 Gigatonnen an Metallerzen von United Nation Environments [12, 18]. Für 2017 berichtet der UN Resources Outlook 2019 [12] von einer Extraktion von 9,1 Gigatonnen Metallerzen, während der Circularity Report 2020 [13, S. 18] 10,1 Gigatonnen angibt. Die Natur der Erze und eingesetzten Verarbeitungsverfahren erklären die Bandbreiten der äquivalenten CO 2 -Emissionen (CO 2eq. ) in Tabelle 2. Die größten CO 2 -Emittenten mit mehr als einer Gigatonne CO 2eq. sind Zement, Stahl, Kunststoffe und Aluminium gefolgt von Titan und Chrom mit je rund 300 Megatonnen CO 2eq. . Unabhängig von den Bestrebungen der Stahl- und Aluminiumindustrien, die spezifischen Anzeige 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 17,720 Eine abgenommene Verdoppelung der Nutzungsdauer von Maschinen, Anlagen und Konsumgüter halbiert den Ressourcenverbrauch Tab. 2: Globale Rohstoffentnahme 2017 Zwei starke Marken aus dem Hause Finke Finke Mineralölwerk GmbH Rudolf-Diesel-Straße 1 • 27374 Visselhövede Tel. 0 42 62 - 7 98 • info@finke-oil.de • www.finke-oil.de AVIATICON AVIATICON Lebensmittelschmierstoffe - der Verantwortung bewusst Lubriplate ® Schmierstoffe - Made in Germany - - halten Technik in Bewegung Schmierstoff + Schmierung · 2. Jahrgang · 3/ 2021 18 Fachartikel | Wechselwirkungen zwischen CO 2 -Emissionen und Reibung CO 2 -Emissionen langfristig zu reduzieren, werden Maßnahmen zur Verbesserung von Lebenszyklen und Langlebigkeit den Rohstoffverbrauch und die Abfallströme reduzieren und zur Reduzierung der CO 2 - Emissionen beitragen. Schmierstoffe spielten in der Vergangenheit eine vorteilhafte Rolle im Hinblick auf Reibungs-, Verschleiß- und Fressschutz, die in Zukunft wertvoller werden, um die Reibung weiter zu reduzieren (Energieeffizienz) und die Lebensdauer von Geräten und Gebrauchsgütern zu verlängern (Materialeffizienz, Ressourcenschonung) was zu einer deutlichen Reduzierung der CO 2 -Emissionen führt. Folglich spielt die Tribologie ihre Nützlichkeit für den Klimaschutz und die Nachhaltigkeit in der Nutzungsphase der Produkte aus. Kombiniert man Stoffströme von 6,6 Gigatonnen bis 17,7 Gigatonnen mit einer erwarteten Verdoppelung in der Lebensdauer, vermindert sich der Stoffstrom auf 3,3-8,65 Gigatonnen. Dieser verbleibende und potentiell für die Tribologie relevante Stoffstrom multipliziert mit dem durchschnittlichen CO 2eq. Intensitätsverhältnis („CO 2 -Hebel“) von 1,39-1,86 Tonnen CO 2eq. pro Tonne Material ergibt ein Minderungspotential an CO 2eq. von 4,6-16,1 Gigatonnen. Andererseits müssen Stoffströme ohne Tribosysteme oder Bezug zur Tribologie abgezogen werden. Die Frage ist nun, welche Anteile dieser potentiellen Stoffströme Anwendungen mit Tribosystemen oder solchen, die von Tribosystemen unmittelbar funktional abhängen, zuzuordnen sind. Hierüber liegen keine Erkenntnisse vor. In einer sozio-ökologischen Betrachtung kann der Verschleißschutz dazu beitragen, bei gleichem Ressourcenverbrauch eine Verdoppelung im Nutzwert zu erlauben. In der Addition der mittel-/ langfristigen Minderungspotentiale pro Jahr durch Reduktionen in der Reibung und Verbesserungen im Verschleißschutz mittels Werkstoff- & Schmierungstechnik, also durch konsequenten Anwendungen tribologischer Maßnahmen, ergeben sich 4-10 Gigatonnen CO 2eq. oder a. 10,5-26,4 % bezogen auf die 2019 global emittierten 37,9 Gigatonnen an CO 2 oder b. 7,6-19,1 % bezogen auf die 2019 global emittierten 52,4 Gigatonnen an THG. Literaturangaben Literaturangaben finden sich in Woydt, Mathias: Relationships between CO 2 emissions, friction and the hidden impact of wear protection on sustainability. In: Lube Magazine Nr. 163 / Juni 2021, S. 30-35. »« Eingangsabbildung: © MH - stock.adobe.com Primärmetall oder -material co 2 Äquivalente in Tonnen pro Tonne an Metall oder Material Globale Produktion 2018 bzw. 2019 [103 tonnen] Berechnete CO 2eq. -Emissionen der Primärmetalle oder -materialien [103 Tonnen] Sondermetalle Li, W, Mo, Mn, Ni, Mg, Pb, Nd >7 45.620 326.631-332.098 Titan 45 7.200 324.000 Chrom 25 12.300 307.500 Silicium 10 8.400 84.000 Zwischensumme - 65.120 >1.042.131 Bedeutendste Metalle Kupfer* 5,5-9,5 23.600 129.800-224.200 Aluminium 16,6 64.800 1,075.680 Stahl (Eisen) >1,8 1.808.000 >3.254.400 Zwischensumme - 1.908.299 >4.459.880 Nicht-metallische Ingenieurwerkstoffe Bitumen 0,30-0,75 90.000 27.000-67.500 Plastik+ ~3,4 360.000 ~1.224.000 Zement 0,6-1,3 4.200.000 2.520.000-5.460.000 Gesamt - 6.642.819 9.273.011-12.353.378 * aus Konzentraten, „open pit“ Mine; + Plastik= Thermoplaste, Polyurethane, Duroplaste, Elastomere, Klebstoffe, Beschichtungen/ Farben und Dichtstoffe als auch Fasern aus Polypropylen. Tab. 3: Mittlere CO 2eq. -Emissionen bei der Gewinnung von einer Tonne Primärmetall/ -material [2, 10]