Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 3/ 2023 16 FacHartiKEl FacHartiKEl Nachhaltiger Umgang mit Turbinenölen Greg Livingstone, Fluitec Dr. Ludger Quick, Siemens Energy Jo Ameye, Fluitec Die meisten Unternehmen, die rotierende Maschinen einsetzen, haben bereits Strategien zur Reduzierung ihres Kohlenstoffausstoßes eingeführt. Sie analysieren systematisch jeden Teil ihrer Organisation und versuchen nachhaltigere Praktiken einzuführen. Schmierstoffe sind ein wesentlicher Bestandteil von Maschinen mit rotierenden Teilen. Daher ist es sinnvoll, nach den besten Möglichkeiten zu suchen, um diese Flüssigkeiten so nachhaltig wie möglich zu handhaben und ihre Leistung zu verbessern. Die Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) ist ein anerkanntes Instrument zur Bewertung der gesamten Umweltauswirkungen eines Produkts „von der Wiege bis zur Bahre“. Sie eignet sich für den Vergleich verschiedener Strategien für effektives Fluidmanagement. In diesem Artikel werden unter Berücksichtigung der Ökobilanzen verschiedener Verfahren unterschiedliche Möglichkeiten für ein nachhaltigeres Management von Turbinenölen aufgezeigt. 1. Einführung Viele Unternehmen, die rotierende Maschinen einsetzen, haben bereits Dekarbonisierungs-Strategien eingeführt oder planen, dies zu tun. Es handelt sich dabei um einen Prozess, der darauf abzielt, die Emissionen von Kohlenstoffdioxid-Äquivalenten (CO 2 e) zu reduzieren und auszugleichen, bis hin zu „Netto- Null“. Schmierstoffe sind eine wesentliche Komponente rotierender Maschinen. Daher ist es sinnvoll, optimale Wege zu finden, um diese Flüssigkeiten so Greg Livingstone Greg Livingstone ist Innovationsleiter bei Fluitec. Seit mehr als 25 Jahren arbeitet er an der Verbesserung der Zuverlässigkeit rotierender Anlagen durch intelligente Schmierungstechniken. Er war in leitender Funktion in verschiedenen Industrieverbänden tätig, darunter ASTM C01 (Turbine Oil Analysis and Troubleshooting) und in den technischen Ausschüssen der STLE für Energieerzeugung, Zustandsüberwachung und Windtribologie. Derzeit ist er verantwortlich für den Vertrieb in Nord-, Mittel- und Südamerika sowie für die globale technische Leitung der Boost-Produktlinien. 17 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 3/ 2023 nachhaltig wie möglich zu handhaben. Dazu gehört auch, ihre Leistung zu verbessern. Die Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) ist eine Methode, um die Umweltauswirkungen in allen Phasen des Lebenszyklus eines Produkts zu bewerten, und ist das anerkannte Instrument, um die potenziellen Umweltauswirkungen von Produkten zu analysieren. Zur Messung der Nachhaltigkeit eines Schmierstoffprogramms und zum Vergleich verschiedener Produkte und Strategien ist sie daher das optimale Instrument. Das Verfahren zur Durchführung einer Ökobilanz ist in ISO 14040 definiert und umfasst eine gründliche Bestandsaufnahme aller zur Produktherstellung benötigten Materialien und Energie sowie die Berechnung der kumulativen Umweltauswirkungen. Ein Teil dieser Berechnung beinhaltet die Bewertung verschiedener intermediärer Indikatoren wie stratosphärischer Ozonabbau, Versauerung, Eutrophierung, Wasserknappheit und Toxizitätspotenzial. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf das Treibhauspotenzial, gemessen in CO 2 e. Für viele Zwecke ist die Ökobilanz ein nützliches Instrument. Wie wird beispielsweise festgestellt, ob ein Elektrofahrzeug weniger Emissionen verursacht als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor? Was passiert, wenn das Elektrofahrzeug seinen Strom aus einem mit Kohle betriebenen Kraftwerk bezieht? Sind nicht auch der Abbau von Lithium und die Herstellung von Batterien mit einer großen Menge an Emissionen verbunden? Diese Fragen sind sehr komplex und nur mit einer Lebenszyklusanalyse zu beantworten. (Im Übrigen gibt es viele Studien dazu, und Elektrofahrzeuge reduzieren die Emissionen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs erheblich.) 2. Cradle-to-Gate vs Cradle-to-Grave Bei der Ökobilanz eines Schmierstoffs werden verschiedene Phasen des Produktlebenszyklus betrachtet. „Cradle-to-Gate“ (von der Wiege bis zum Tor) bezeichnet die Kohlenstoffauswirkungen eines Produkts von seiner Entstehung bis zu dem Zeitpunkt, an dem es für den Verkauf bereit ist. Da der Hersteller keine Kontrolle über die Verwendung des Produkts nach dem Verkauf hat, ist dies die am häufigsten verwendete Ökobilanz für Schmierstoffe. „Cradle-to-Grave“ (von der Wiege bis zur Bahre) umfasst auch die Produktnutzung und -entsorgung am Ende des Lebenszyklus. Abbildung 1 zeigt diese Phasen und verdeutlicht den Unterschied zwischen „Cradle-to-Gate“ und „Cradle-to-Grave“. Der CO 2 e-Beitrag der Förderung, Raffination und Mischung von Rohöl (cradle-to-gate) ist geringer als der CO 2 e-Beitrag, der am Ende des Lebenszyklus von Rohöl (cradle-to-grave) verursacht wird. Obwohl Antioxidantien einen etwa doppelt so großen Kohlenstoff-Fußabdruck wie Mineralöl haben, tragen sie nur zu einem relativ kleinen Teil zur Gesamtmenge bei, Abb. 1: „Lebensphasen“ eines Schmierstoffs Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 3/ 2023 18 Fachartikel | Nachhaltiger Umgang mit Turbinenölen da sie nur zu einem geringen Prozentsatz in der Formulierung verwendet werden. Je nachdem, in welchem Teil der Welt das Altöl produziert wird, hängt der Beitrag von CO 2 e am Ende des Lebenszyklus davon ab, welcher Prozentsatz verbrannt oder recycelt wird. Auch verschiedene Grundöle können einen höheren CO 2 e-Anteil am Gesamtprodukt haben. Polyalphaolefine (PAOs) haben beispielsweise einen doppelt so hohen Cradle-to-Gate-CO 2 e-Fußabdruck wie Mineralöle. Der End-of-Life-Kohlenstoffwert beider Produkte ist jedoch gleich, wenn man davon ausgeht, dass sie beide verbrannt werden. Abbildung 2 zeigt den gesamten CO 2 e-Beitrag eines mineralischen Turbinenöls im Vergleich zu einem PAO-Turbinenöl. Daher haben Anstrengungen zur Verlängerung der Lebensdauer von Betriebsölen einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung des gesamten CO 2 e-Fußabdrucks eines Schmierstoffs. Interessant ist auch, dass der Transport eine untergeordnete Rolle für den gesamten CO 2 -Fußabdruck spielt. Dies ist der Fall, solange die Schmierstoffe nicht um die ganze Welt geflogen werden. 3. Nachhaltigkeit von Schmierstoffen im Vergleich Bei der Bewertung der Nachhaltigkeit eines Schmierstoffs spielen viele Faktoren eine Rolle. Abbildung 3 zeigt diese verschiedenen Faktoren und die Möglichkeiten, die Nachhaltigkeit eines Schmierstoffs zu verbessern. Dieser Vergleich ermöglicht es, die Nachhaltigkeit verschiedener Schmierstoffe und Schmierverfahren Abb. 3: Faktoren, die die Nachhaltigkeit eines Schmierstoffs beeinflussen Abb. 2: Cradle-to-Gate-CO 2 e-Vergleich zwischen Mineral- und PAO-Turbinenölen miteinander zu vergleichen. Mit Ausnahme der Umweltverträglichkeit, die eine eigene Kategorie darstellt, kann jede Kategorie in kg CO 2 e umgerechnet werden. Die biologische Abbaubarkeit, die Ergebnisse der Bioakkumulation und die Bewertung der Toxizität des Öls sind wichtige Aspekte der Nachhaltigkeit des Öls, aber diese Eigenschaften müssen direkt verglichen werden, da sie auf einer anderen Skala liegen. Auf der Grundlage dieses Spektrums wäre der ultimative nachhaltige Schmierstoff > ein Schmierstoff auf Pflanzenbasis (aus Ölen), der aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird; > ein Schmierstoff, der leicht biologisch abbaubar, ungiftig und nicht bioakkumulierend ist; > ein Schmierstoff, der eine lange Lebensdauer hat und die Energieeffizienz des Systems verbessert, das er schmiert; > ein Schmierstoff, der am Ende der Lebensdauer dieses idealen Schmierstoffs raffiniert oder in einer anderen Anwendung wiederverwendet wird. Damit ein nachhaltiger Schmierstoff praktikabel ist, muss er vollständig mit der Anwendung kompatibel sein, einschließlich der Konstruktionsmaterialien und des Eindringens von Verunreinigungen. Beispielsweise kann ein Ester auf Ölbasis, obwohl er alle Kriterien erfüllt, Dichtungen im System schrumpfen lassen und bei hoher Kontamination mit Wasser hydrolysieren, was ihn für eine bestimmte Anwendung ungeeignet macht. 4. Fallstudien zur Nachhaltigkeit von Schmierstoffen Zum Vergleich der Nachhaltigkeit verschiedener Schmierstoffe anhand der Ökobilanz werden im Folgenden zwei Beispiele vorgestellt. Die Beispiele zeigen, dass das Produkt mit dem höchsten Cradle-to- Gate Footprint nicht notwendigerweise das Produkt mit dem niedrigsten Footprint ist, wenn eine Cradleto-Grave Analyse durchgeführt wird. 4.1 Fallstudie 1: Vermeidung von Spülungen Die Beibehaltung eines Turbinenöls mit geringem Varnish-Potenzial hat viele finanzielle Vorteile für ein Kraftwerk. Neben einer erhöhten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit kann die Notwendigkeit einer Spülung zur Entfernung von Varnish zwischen den Ölwechseln vermieden werden. Spülungen sind energie- und volumenintensiv, was sich in einer erheblichen CO 2 -Bilanz niederschlägt. Fluitec hat eine Technologie zur Verbesserung der Löslichkeit namens DECON entwickelt, die Schmierölsysteme zwischen den Ölwechseln dekontaminiert. Neben anderen Vorteilen ermöglicht es diese Technologie den Benutzern von Rotationsmaschinen, zwi- GENIAL. EINFACH. REIBUNGSLOS. INDUSTRIELLE SCHMIERSTOFFE SEIT 1961 STEIGERN SIE IHRE PROZESSSICHERHEIT AUTOMATISIERUNG. PRODUKTIVITÄTSSTEIGERUNG. KOSTENREDUKTION. Bitte sprechen Sie uns an! Wir beraten Sie gerne und erstellen Ihnen ein individuelles Angebot. Weitere Informationen erhalten Sie über den QR-Code oder besuchen Sie uns auf unseren Messestände in Hannover und Essen. Wir stellen aus: EMO Hannover | 18. - 23. September 2023 | Messe Hannover | Halle 6 Stand-Nr. E12 Lubricant Expo | 26. - 28. 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Der Fluitec Value Impact Calculator addiert die Kosten und den CO 2 -Fußabdruck, die durch die Zugabe von DECON zum Öl entstehen, und misst den Wert, der dadurch entsteht, dass beim nächsten Ölwechsel keine Spülung durchgeführt werden muss. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Durch den Einsatz von DECON und den Verzicht auf ein Spülen des Schmierölsystems kann diese Turbine 18 Tonnen CO 2 e pro Jahr einsparen. Eine solche Berechnung wäre ohne eine Lebenszyklusanalyse eine Herausforderung. Wie bei den meisten nachhaltigen Schmierungspraktiken spart der Verzicht auf die Spülung dem Kraftwerk auch erhebliche Kosten. 4.2 Fallstudie 2: Nachfüllen von Turbinenöl-Antioxidantien anstelle eines Ölwechsels Antioxidantien werden in Turbinenölen verbraucht, weil sie das Grundöl vor thermischem und oxidativem Abbau schützen. Die Lebensdauer eines Turbinenöls wird weitgehend durch die Abbaugeschwindigkeit der Antioxidantien bestimmt, wobei die meisten OEMs und Industrieverbände als Grenzwert angeben, dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, wenn die Antioxidantien 25 % ihres ursprünglichen Wertes erreicht haben. Wenn die Antioxidantien verbraucht sind und das Öl das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, besteht die herkömmliche Vorgehensweise darin, das System zu entleeren, zu spülen und mit neuem Turbinenöl aufzufüllen. Da dies jedoch die Stillstandszeit bei Revisionen verlängert und teuer ist, haben viele Anlagen stattdessen eine einfache Auffrischung der Antioxidantien in Erwägung gezogen. Speziell hergestellte Antioxidationsmittelkonzentrate können dem Turbinenöl vor Ort zugesetzt werden, sofern zuvor entsprechende Laboruntersuchungen durchgeführt wurden, um die Verträglichkeit zu bestätigen. Diese zunehmende Vorgehensweise wurde bereits in Hunderten von Turbinen erfolgreich angewandt und stellt eine kostensparende Alternative zur konventionellen Austauschmethode dar. Es scheint, dass dies auch für die Umwelt von Vorteil ist, aber um dies zu quantifizieren, ist eine Ökobilanz erforderlich. Nachfolgend ist ein Beispiel für eine großes Kombikraftwerk in Einwellenkonfiguration dargestellt. Da sich diese Anlage in Osteuropa befindet, sind im Vergleich zur ersten Fallstudie ganz andere Annah- Abb. 5: Berechnung des Wertes der Verwendung von DECON AO anstelle eines Ölwechsels Abb. 4: Ein Beispiel für den hohen Kohlenstoff-Fußabdruck, der mit der Schmierölspülung verbunden ist. Es zeigt wie die Aufrechterhaltung eines niedrigen Varnish-Potenzials in einem Turbinenöl den Kohlenstoff-Fußabdruck reduziert. 21 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 3/ 2023 Fachartikel-|-Nachhaltiger Umgang mit Turbinenölen men erforderlich. Zwei Beispiele sind der Transport und der prozentuale Anteil des recycelten Öls im Vergleich zur Verbrennung. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Zugabe eines Antioxidationsmittels (DE- CON AO) zum gebrauchten Betriebsöl. In diesem Fall wird geschätzt, dass über einen Zeitraum von 10 Jahren mehr als 200.000 kg CO 2 e eingespart werden, was fast 60 kg CO 2 e pro Tag entspricht. Das Kraftwerk profitiert außerdem durch Kosteneinsparungen, Abfallvermeidung und andere Vorteile. 5. Weitere Strategien für einen nachhaltigeren Umgang mit Ölen Es gibt viele weitere Strategien für das Schmierstoffmanagement, die die CO 2 -Bilanz Ihres Schmierstoffprogramms verbessern können: > Auswahl des leistungsstärksten Öls für Ihre Anwendung, was zu längeren Ölwechselintervallen und geringeren Wartungskosten führt. > Einführung eines Ölanalyseprogramms zur Optimierung der Ölwechselintervalle. Denken Sie daran, dass eine fehlende Ölanalyse nicht nur die Wartungskosten erhöht, sondern auch Ihren ökologischen Fußabdruck drastisch vergrößern kann! > Vermeiden Sie Ablagerungen. Ablagerungen können nicht nur zum Ausfall von Komponenten führen, sondern auch eine Isolierschicht auf den Lageroberflächen bilden, die zu höheren Temperaturen und damit zu einer geringeren Energieeffizienz des Systems führt. > Recycling eines Öls am Ende seiner Lebensdauer. Die Schaffung einer Kreislaufwirtschaft mit Ihrem Schmierstoff am Ende seiner Lebensdauer durch Wiederauf bereitung anstelle der Verbrennung reduziert den CO 2 -Fußabdruck Ihres Schmierstoffprogramms. > Minimieren Sie das Eindringen von Verunreinigungen. Studien haben gezeigt, dass Verunreinigungen für bis zu 70 % der vorzeitigen Maschinenausfälle verantwortlich sind. Ein striktes Programm zur Kontrolle von Verunreinigungen spart nicht nur erhebliche Betriebskosten, sondern reduziert auch den damit verbundenen ökologischen Fußabdruck. 6. Fazit Ein kluger Satz besagt: „Was man nicht messen kann, kann man nicht kontrollieren.“ Wenn Sie auf dem Weg zu einer nachhaltigen Schmierung sind, können Sie die Prinzipien der Ökobilanz von der Wiege bis zur Bahre zur Messung und Verbesserung der Nachhaltigkeit Ihres Schmierstoffprogramms nutzen. Wie die Fallstudien zeigen, ist der anfängliche Kohlenstoff-Fußabdruck des Schmierstoffs nicht notwendigerweise gleichbedeutend mit geringerer Nachhaltigkeit. Die Durchführung dieser LCA-Studien ermöglicht es den Anwendern, Bereiche mit Verbesserungspotenzial leicht zu identifizieren und die Vorteile zu quantifizieren. Diese Berechnungen können auch Aufschluss darüber geben, welche Praktiken vermieden werden sollten, um die Bemühungen zur Reduzierung des CO 2 -Verbrauchs zu unterstützen, wie z. B. das Spülen von Schmierölsystemen, wie in Fallstudie 1 beschrieben. Der Kohlenstoff-Fußabdruck von Schmierstoffen mag klein erscheinen, insbesondere wenn die „Produktnutzung“ in den LCA-Gleichungen nicht berücksichtigt wird. Die Tribologie im Allgemeinen kann jedoch einen enormen Einfluss auf die Reduzierung des CO 2 -Fußabdrucks der Gesellschaft haben. In einem Bericht an ARPA-E aus dem Jahr 2017 wurde berechnet, dass durch tribologische Maßnahmen jährlich 24 % Energie eingespart werden können. Die Messung dieser Bemühungen beginnt mit Lebenszyklusanalysen von der Wiege bis zur Bahre. 7. Referenzen Livingstone, G. (2023). Measuring and Attaining Sustainable Lubrication. Precision Lubrication Magazine. https: / / precisionlubrication.com/ articles/ sustainable-lubrication/ Bieker, G. (2021). A Global Comparison of the Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions of Combustion Engie and Electric Passenger Cars. The International Council of Clean Transportation. 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