Höhere Nachhaltigkeit und Energieeffizienz dank moderner Schmierstoffe – nur Versprechen oder bereits Realität?

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Sie werden bei der Vorstellung von neu entwickelten Schmierstoffen beinahe schon inflationär benutzt, die beiden Schlagwörter „Energieeffizienz“ und „Nachhaltigkeit“. Doch die Fertigungsindustrie soll immer noch nachhaltiger wirtschaften und dabei außerdem die Energieeffizienz ihrer Anlagen und Maschinen steigern. Auch wenn dies nur schwer vorstellbar ist, das Potenzial dazu ist noch lange nicht ausgeschöpft. Bei diesem Optimierungsprozess spielen sowohl die eingesetzten Schmierstoffe als auch deren konsequente Überwachung durch Ölanalysen eine gewichtige Rolle. Welche Versprechungen sind aber wirklich realistisch? Wie kann der Beitrag von Schmierstoffen zu Energieeffizienz und Nachhaltigkeit überhaupt quantifiziert werden? Und wie müssen Öle und Fette konzipiert sein, um die erwarteten positiven Effekte realisieren zu können?

Nachhaltigkeit – das Potenzial ist noch lange nicht ausgereizt

Standzeitverlängerung von Komponenten, aber auch von Ölfüllungen, ist eines der viel genutzten Zauberworte! Moderne Schmierstoffe sollen immer mehr so ausgelegt sein, dass sie länger im Einsatz bleiben können. Um dieses Ziel am einfachsten zu erreichen, greift die Mineralölindustrie verstärkt auf bessere, oft synthetische Basisöle zurück. Im Gegensatz zur reinen Mineralölraffination werden bei deren Herstellungsprozess die Molekülstrukturen so verändert, dass sich positive Eigenschaften, wie eine erhöhte Alterungsstabilität oder ein verbessertes Viskositäts-Temperatur-Verhalten, ergeben. Moderne hochwirksame Oxidations-Inhibitoren auf der Basis von Salicylaten, Phenolen oder Aminen tragen außerdem dazu bei, den Alterungsprozess der Schmierstoffe im Einsatz hinauszuzögern. So ist es heute schon möglich, dass neben Turbinenölen auch einige leistungsstarke Industriegetriebe- und Hydrauliköle Einsatzzeiten von über 50.000 Betriebsstunden oder etwa 10 Jahren erreichen. Allerdings sind dabei auch dem besten Langzeitschmierstoff immer noch Grenzen gesetzt. Im Gegensatz zu den angestrebten längeren Standzeiten, werden heute noch viele Schmierstoffe gewechselt, obwohl sie ihr Leistungsvermögen noch lange nicht ausgeschöpft haben. Dadurch werden jährlich enorme Werte vernichtet. Würden allein die in Deutschland eingesetzten etwa 1 Million Tonnen Schmierstoffe nur dann ausgetauscht, wenn dies technisch wirklich notwendig ist, könnten jährlich ca. 30 % davon, d.h. ca. 300.000 Tonnen bzw. 350 Millionen Liter, eingespart werden. Obwohl immer mehr Unternehmen ihre Ölwechselintervalle mit Hilfe von Trendanalysen steuern, wird erst ein Bruchteil dieses gewaltigen Einsparpotenzials erreicht. Allerdings gehen heute immer mehr OEM dazu über, Ölwechsel nicht mehr nur nach festen Intervallen, sondern in Abhängigkeit des Ölzustands zu empfehlen. Viele Maschinenhersteller bieten dazu, häufig auch als Bestandteil in ihren Ersatzteilsortimenten, OELCHECK-Analysensets an. Die Analysen dienen dabei nicht nur dazu, die Ölwechsel zustandsabhängig vorzunehmen. Sie lassen außerdem eine Schadensfrüherkennung zu und sichern so den störungsfreien Betrieb der Anlagen und Maschinen ab. Wie gut dies funktionieren kann, beweist zum Beispiel die Überwachung der Öle und Motoren von Biogasanlagen, die wegen der oft wechselnden, teils aggressiven Gaszusammensetzungen besonderen Risiken ausgesetzt sind. Schmierstoffanalysen sind außerdem das unverzichtbare Mittel der Wahl, wenn neue Schmierstofftypen zum Einsatz kommen, für die noch keine Erfahrungen im Zusammenhang mit der Beurteilung einer möglichen Einsatzdauer vorhanden sind.

Die Öloxidation in Abhängigkeit von der Temperatur

Einsatzzeit der Ölfüllung in h

Konventionelle
Mineralöle

Hydrocrack-Öle

PAO-Syntheseöle

Esterbasische Syntheseöle

Glykolbasische Syntheseöle

40.000 40 50 60 60 65
30.000 45 55 65 65 70
20.000 50 60 75 75 75
10.000 60 70 85 85 90
5.000 70 80 100 100 105
2.500 80 90 115 115 120
1.250 90 100 130 130 135
675 100 110 145 145 150

Höhere Energieeffizienz – nur Versprechen oder Realität?

Für den Privatmann gilt: Eine gute Wärmedämmung senkt die Heizkosten seines Hauses. Dem Instandhalter wird versprochen: Der Energieverbrauch für den Betrieb seiner Fahrzeuge und Maschinen kann mit ausgewählten Schmierstoffen reduziert werden. Da die dazu gemachten Aussagen oft recht vage Versprechungen sind, nutzen sie nicht viel. Schließlich sind die angepriesenen Schmierstoffe meistens wesentlich teurer. Ihr Kauf muss sich wirtschaftlich lohnen und sich in einer merkbaren Reduzierung der Energiekosten niederschlagen. Bevor ein genereller Wechsel einer Schmierstoffsorte erfolgt, wird im Idealfall erst einmal eine einzelne Anlage umgestellt, für die der Energieverbrauch bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen ermittelt und deren Werte vor sowie nach der Umölung verglichen werden. Doch ein Vergleich des Energiebedarfs ist manchmal gar nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Richtig verzwickt wird es zum Beispiel, wenn laut Aussagen von Schmierstoff-Herstellern etwa bei Windkraftanlagen der Wirkungsgrad von Hauptgetrieben so verbessert werden soll, dass durch die Senkung der Reibungsverluste im Getriebe mehr Strom bei gleicher Windstärke ins Netz eingespeist werden kann. Die Stromeinspeisung einer einzelnen Windkraftanlage ist aber von vielen Faktoren abhängig und der erwartete Effekt lässt sich nur schwer nachweisen. Die Möglichkeiten, mit Schmierstoffen die Energieeffizienz zu erhöhen, sind bei Motoren, Hydrauliksystemen und Industriegetrieben sehr unterschiedlich. Die durch Schmierstoffe beeinflussbaren Bandbreiten divergieren stark. Außerdem ist jeder Einsatzfall individuell zu betrachten.

Wirkungsgrad, Reibungsverluste und der vom Schmierstoff beeinflussbare Anteil

Komponente

Wirkungsgrad in %

Verluste in %

Vom Öl beeinflussbar in %

Stirnradgetriebe 97-98 2-3 0,2-0,3
Hypoidgetriebe 88-94 6-14 2-4
Kegelradgetriebe 92-94 6-8 2-4
Planetengetriebe 96-98 2-4 0,5-1
FZG-Automatikgetriebe 83-85 15-17 3-5
7-Gang-DSG-Getriebe 88-91 9-12 2-3
Schneckengetriebe 60-75 25-40 8-14
E-Motor 90-95 5-10 0,05-0,1
Hydraulikanlage 80-90 10-20 4-8
Benzinmotor 20-40 65-85 bis zu 6

Motoren

Für den sicheren Betrieb innovativer Motoren und den störungsfreien Einsatz von deren Abgasnachbehandlungs-Systemen sind entsprechend konzipierte Motorenöle zwingend notwendig. Gleichzeitig sollen sie aber auch dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch zu senken. In Zukunft werden die Anforderungen sogar noch viel höher gesteckt. Die neuesten ACEA- und API-Spezifikationen enthalten bereits Motorentests, mit denen eine Energieeinsparung nachgewiesen werden kann. In der Praxis können bei der Verwendung von entsprechend konstruierten Motoren und unter optimalen Voraussetzungen Kraftstoffeinsparungen zwischen 1,8 und 5,5 % gegenüber einem Referenzöl – meist ein SAE 15W40 oder 20W50 – durch den Umstieg auf einen anderen Öltyp mit einer anderen Viskositätslage erreicht werden. Grundsätzlich läuft ein Motor mit einem niedrigviskosen Öl dank reduzierter Pump- und Plantschverluste leichter und verbraucht deswegen auch weniger Kraftstoff. Folgerichtig geht der Trend zu immer dünneren Motorenölen. Heute ist z.B. für einen Motortyp bereits ein Motorenöl SAE 0W16 konzipiert worden. Und schon bald werden voraussichtlich Motorenöle mit einer SAE-Klasse 0W12 oder 0W8 auf dem Markt zu finden sein. Doch dieser Entwicklung sind auch Grenzen gesetzt. Das niedrigviskosere Motorenöl muss zum einen noch immer einen stabilen Ölfilm bilden können, um die bewegten Teile sicher vor Reibung und Verschleiß zu schützen. Andererseits kann es Probleme mit dem Verdampfungsverlust (mehr dazu: OelChecker Frühjahr 2015) geben, der bei sinkender Viskosität der Grundöle in der Regel ansteigt. Ein Teil dieses bei erhöhten Motorenöltemperaturen in der Ölwanne verdampften Motorenöls wird über die Kurbelgehäuseentlüftung in das Kraftstoff-Luft-Gemisch geleitet und mit diesem verbrannt. Die Verbrennungsrückstände können dann die Wirkung von Katalysatoren oder Rußfiltern beeinträchtigen. Aber es gilt auch: Je geringer der Verdampfungsverlust eines Öls ist, desto niedriger ist auch der Ölverbrauch und desto stabiler bleiben seine Viskositätseigenschaften. Niedrigviskose Motorenöle weisen allerdings meist einen größeren Verdampfungsverlust auf, der zu einer Viskositätserhöhung im Betrieb führen kann. Die ursprünglich gepriesenen Leichtlaufeigenschaften des Öls nehmen damit ab. Und der Verbrauch von Kraftstoff und Öl steigt somit wiederum an. Schon die heute aktuell vertriebenen, relativ niedrig viskosen Motorenöle der Viskositätsklasse SAE 0W-30 können nur auf der Basis von dünneren, synthetischen Grundölen realisiert werden. Wenn die Viskosität in Zukunft noch weiter abgesenkt werden soll, sind die Schmierstoff-Hersteller besonders gefordert. Denn sie müssen diese Motorenöle sowohl mit niedrigen Verdampfungsverlusten, aber auch mit allen übrigen Eigenschaften ausstatten, die für den sicheren Betrieb der Motoren wichtig sind. Allerdings werden so ausgelegte Produkte wohl ihren Preis haben. Und auch das perfekteste Motorenöl wird nur dann den Verbrauch von Kraftstoff und Öl spürbar senken können, wenn das Fahrverhalten entsprechend umsichtig ist. Weiterhin ist zu beachten, dass die neu entwickelten Öltypen nicht mehr so universell für ältere Motorentypen verwendet werden können, deren Komponenten nicht auf dermaßen extrem niedrig viskose Öle ausgelegt sind.

Hydrauliksysteme

Hydrauliksysteme werden immer leistungsstärker und kompakter. Verringerte Spalttoleranzen in Ventilen, Pumpen und Motoren und bessere Oberflächengüten ermöglichen höhere Betriebsdrücke und präziser arbeitende Anlagenkomponenten. Gleichzeitig wird eine immer höhere Verfügbarkeit der Anlagen auch unter extremen Betriebsbedingungen verlangt. Doch kleinere Ölfüllmengen, höhere Drücke und steigende Betriebstemperaturen sind verschärfte Arbeitsbedingungen, die ein konventionelles mineralölbasisches Hydrauliköl der Klasse HLP oder HLPD kaum noch meistern kann. Alle Schmierstoffe und Kraftübertragungsmedien altern außerdem während ihrer Einsatzzeit. Dabei „oxidieren“ sie mit Sauerstoff. Hohe Temperaturen, lange Standzeiten, hohe Drücke und eventuell auch noch Verunreinigungs- und Verschleißpartikel beschleunigen diesen Prozess. Um ihn möglichst lange hinauszuzögern, enthalten die Fluids Antioxidantien. Doch sie können sich während des Öleinsatzes genau so abbauen wie Extreme-Pressure- oder Anti-Wear-Wirkstoffe. Kommen schwere Betriebsbedingungen hinzu, steigen aufgrund der Verlustleistung die Temperaturen und forcieren die Ölalterung zusätzlich. Und im Zuge dieses Prozesses nimmt auch die Viskosität des Öls ab. Allerdings ist gerade sie ein entscheidender Faktor für den Wirkungsgrad der Hydraulikanlage. In umfangreichen Tests mit Flügelzellen-, Zahnrad- und Kolbenpumpen wurde nachgewiesen, dass die Viskosität des Hydraulikfluids den Wirkungsgrad der Pumpe ganz erheblich beeinflusst. Ihr hydraulischer Wirkungsgrad ist abhängig von der Ölviskosität am Pumpeneinlass aber auch von der Pumpendrehzahl und dem Druck. Damit hat die Ölviskosität nicht nur Einfluss auf den Wirkungsgrad der Pumpe insgesamt, sondern auch auf den Energieverbrauch. Die Viskosität des Hydraulikfluids soll daher während der gesamten Einsatzzeit vom Start bis zum Hochlastbetrieb möglichst gleichbleibend sein. Um dies zu gewährleisten, werden zunehmend Hydrauliköle mit Mehrbereichs-Charakteristik vom Typ HVLP oder HVLPD eingesetzt, die im Gegensatz zu HLP-Ölen einen sehr hohen Viskositätsindex von nahezu 200 haben. Im Prinzip werden mit solchen Ölen positive Auswirkungen auf den Energieverbrauch erreicht, weil auch bei einer Temperatur von über 80 °C die Mindestviskosität nicht überschritten wird. Der in den Mehrbereichsölen oft vorhandene relativ hohe Anteil an Viskositätsindex-Verbesserern kann aber das Luftabscheidevermögen so verschlechtern, dass Kavitationsschäden auftreten können. Um diese möglichst auszuschließen, lassen Hydraulikhersteller Öle zu, die dünner sind, mit der Folge, dass bei solchen Ölen die maximal zulässige Einsatztemperatur gesenkt werden muss. Nur so ist man bei einem etwaigen Zerscheren der Viskositätsindex-Verbesserer auf der sicheren Seite. In der Praxis ist der Einsatz dieser Mehrbereichs-Hydrauliköle bei tiefen Starttemperaturen ideal, bei sehr hohen Betriebstemperaturen erreichen sie aber ihre Grenzen. Wenn das Fluid dann zu „dünn“ wird, lässt sich die Hydraulik von Baumaschinen zum Beispiel schwerer steuern oder diese arbeitet unpräzise. Um aus dieser Zwickmühle herauszukommen, hat einer der international führenden Additivhersteller ein spezielles Hydrauliköl-Wirkstoffpaket konzipiert, das von einigen Schmierstoff-Produzenten verwendet wird. Die fertigen Produkte, die in der Regel auf Grundölen der Gruppe I oder II basieren, erfüllen die Anforderungen gemäß DIN 51524/3 für Hydrauliköle vom Typ HVLP. Die neue Technologie ermöglicht den Einsatz von niedrigviskosen Hydraulikölen über eine breitere Arbeitstemperatur. Damit nimmt die Effizienz der Hydrauliksysteme zu, der Energieverbrauch der Anlagen sinkt. Im Vergleich mit einem herkömmlichen Hydrauliköl HLP lässt sich somit nur durch den Wechsel der Ölsorte ein höherer Wirkungsgrad der Maschine insgesamt erzielen. Konkret heißt dies: höhere Hydraulikdrücke bei Volllast, präzisere Reaktion des Systems und vor allem Senkung des Energieverbrauchs und der davon abhängigen Öltemperatur bzw. weniger energiefressende Kühlleistung. Der Hersteller des Additivpakets geht von einer möglichen Effizienzsteigerung von etwa 5% aus und hat dies in Mobilhydrauliken mit aufwändigen Feldtests belegt. Ob sich der Einsatz eines dieser etwas teureren Fluids, die das innovative Additivpaket enthalten, definitiv nur wegen des geringeren Energieverbrauchs auszahlt, muss im Einzelfall überdacht werden.

Getriebe

In Schalt-, Automatik- und Hypoidgetrieben von Fahrzeugen, aber auch in Industriegetrieben spielt die Erhöhung des Wirkungsgrades mit Hilfe speziell konzipierter Getriebeöle eine immer wichtigere Rolle. Allerdings lässt sich dies nicht, wie bei Motoren- oder Hydraulikölen üblich, mit einem dünneren Öl im Zusammenspiel mit konstruktiven Veränderungen verwirklichen. Zur Verbesserung der Energieeffizienz von Industriegetrieben, werden ausgeklügelte Mischungen von verschiedenen Grundöltypen und synergetisch wirkende Additivkombinationen verwendet. Die Getriebe sollen Leistung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad übertragen. Dieser Wirkungsgrad entspricht dem Quotienten aus Abtriebs- und Antriebsleistung, die Abtriebsleistung wiederum der Differenz aus Antriebs- und Verlustleistung. Wird bei einer bestimmten Abtriebsleistung der Wirkungsgrad erhöht bzw. die Verlustleistung abgesenkt, wird für den Antrieb des Getriebes weniger Energie benötigt. Dies kann z.B. durch eine Messung des Stromverbrauchs überprüft werden. Als Anhaltspunkt für die Erhöhung der Energieeffizienz dient daneben auch eine Minimierung der Verlustleistung, die sich bei einem Getriebe ohne Zusatzkühlung meist auch in einer niedrigeren Temperatur widerspiegelt. Im Umkehrschluss lässt also eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs und der Betriebstemperatur auf eine reduzierte Reibung und damit auf eine geringere Verlustleistung bzw. einen höheren Wirkungsgrad des Getriebes schließen. Gleichzeitig oxidiert ein solcher Schmierstoff nicht zuletzt wegen der niedrigeren Betriebstemperaturen deutlich weniger und kann so über einer einen längeren Zeitraum verwendet werden. Der Einfluss eines Getriebeöls auf den Getriebewirkungsgrad kann u.a. mit dem FZG-Verspannungsprüfstand (Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der TU München) praxisnah untersucht werden. Außerdem steht zur Berechnung der Verluste und des thermischen Verhaltens kompletter Getriebesysteme das im Rahmen von FVA-Forschungsaufträgen an der FZG entwickelte Programm WTplus zur Verfügung. In welchem Umfang aber dann das jeweilige Getriebeöl den Wirkungsgrad und damit die Effizienzbilanz eines Getriebetyps in der Praxis positiv verändert, kann nur in einem Praxiseinsatz unter Berücksichtigung der individuellen Betriebsbedingungen festgestellt werden. Dass ein Getriebeöl den Wirkungsgrad und damit die Energieeffizienz beeinflussen kann, steht außer Frage. Allerdings muss man sich im Einzelfall auch die Relationen vor Augen halten. Die beim Schmierstoffverkauf häufig herangezogenen prozentualen Werte für das Einsparpotenzial beziehen sich in der Regel auf den Wirkungsgrad bzw. die Verlustleistung nur in der Verzahnung. Dazu ein vereinfachtes Beispiel: Beträgt die Antriebsleistung 100 kW und die Abtriebsleistung 97 kW, dann nimmt die Verlustleistung 3 kW bzw. 3 % der Antriebsleistung ein. Wird nun mit einer hier äußerst hoch angesetzten Verringerung der Verlustleistung von 25 % geworben, beziehen sich diese 25 % nicht auf 100 kW, sondern lediglich auf die 3 kW der Verlustleistung. Das heißt, das Getriebe braucht dann 0,75 kW bzw. 750 Watt weniger Strom. Es darf in diesem Fall bezweifelt werden, dass sich diese 750 Watt weniger Reibungsverluste in Form einer niedrigeren Getriebeöltemperatur bemerkbar macht. Auch hier muss also wieder der Einzelfall genau betrachtet und alle Faktoren abgewogen werden.

Fazit

Nahezu alle Schmierstoffe können nachhaltiger verwendet werden, indem ihr Einsatz mit Schmierstoffanalysen begleitet wird und ihre Wechselintervalle zustandsabhängig erfolgen. Speziell ausgelegte Schmierstoffe wiederum sind durchaus in der Lage, im Vergleich mit konventionellen Ölen die Energieeffizienz der Anlagen positiv zu beeinflussen. Allerdings muss jede Anwendung individuell betrachtet und das Kosten-Nutzen-Verhältnis genau kalkuliert werden. Da diese Entscheidungsprozesse oft sehr komplex sein können, gibt der OELCHECK-Beratungsservice auch bei dieser Problematik auf Anforderung gern Hilfestellung.

Quelle


OelChecker Winter 2015, Seiten 6-8