Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Essen
Vulkan-Verlag
2006
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| Schriftenreihe: | Schriftenreihe des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig
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VII
Inhalt
Abbildungsverzeichnis XII
Tabellenverzeichnis XVII
Formelzeichen und Abkürzungen XIX
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung 2
1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 3
2 Kühlschmierstoffe 5
2.1 Kühlschmierstoffeinsatz in Deutschland - Mengen 6
2.2 Kühlschmierstoffeinsatz bei der spanenden Metallbearbeitung 7
2.2.1 Zerspanung - Notwendigkeit der Kühlschmierung 8
2.2.2 Verfahrensabhängiger Einsatz wassermischbarer und
nichtwassermischbarer Kühlschmierstoffe 9
2.3 Kühlschmierstoffzusammensetzung 11
2.3.1 Grundöle 12
2.3.2 Additive 14
2.3.3 Sekundärstoffe 17
2.3.4 Komplexe Kühlschmierstoffzusammensetzungen 17
2.4 Probleme mit konventionellen nichtwassermischbaren
Kühlschmierstoffen 18
2.4.1 Umwelt 18
2.4.2 Arbeitsphysiologie 20
2.4.3 Ausschleppung 21
2.4.4 Entsorgung 24
2.4.5 Schlussfolgerungen für arbeitsphysiologisch und ökologisch
verträglichere KSS 29
2.5 Lösungsansätze und Alternativen 29
VIII Inhalt
2.5.1 Minimalmengenschmierung (MMS) und Trockenbearbeitung. 29
2.5.2 Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe auf Basis
nachwachsender Rohstoffe 32
2.5.3 Fazit 36
2.6 Rahmenbedingungen für den Kühlschmierstoffeinsatz 37
2.6.1 Gesetze, Richtlinien und Normen 37
2.6.2 Markt- und Preissituation 41
2.7 Stand der Forschung 43
2.7.1 Synthetische Ester auf Basis nachwachsender Rohstoffe als
Kühlschmierstoffe 43
2.7.2 Einordnung der eigenen Arbeit 45
3 Rohstoffe für Kühlschmierstoffe 46
3.1 Mineralöl 46
3.1.1 Chemische Struktur 46
3.1.2 Der Schmierstoff im tribologischen System 47
3.1.3 Schmierwirkung 48
3.2 Ester auf Basis nachwachsender Rohstoffe 50
3.2.1 Chemische Struktur 50
3.2.2 Schmierwirkung 51
3.2.3 Pflanzenöle - Rapsöl und Palmöl 52
3.2.4 Abfallfette - Tierfett und Altspeisefett 53
3.3 Nutzungsalternativen für KSS-Rohstoffe 55
3.3.1 Mineralöl - Schmierstoffgrundöl 56
3.3.2 Pflanzenöl - Rapsöl und Palmöl 58
3.3.3 Abfallfette - Tierfett und Altspeisefett 61
3.3.4 Fazit 64
4 Technische Bewertung 66
4.1 Anforderungen an einen KSS beim Schleifen 66
Inhalt IX
4.1.1 Schleifen - Prozessfiihrung 71
4.2 Vorauswahl anhand physikalischer Eigenschaften 73
4.2.1 Versuchsdurchführung 73
4.2.2 Eingesetzte Stoffe 74
4.2.3 Ergebnisse 74
4.3 Schleifversuche im Technikumsmaßstab 78
4.3.1 Versuchsdurchführung 78
4.3.2 Ergebnisse 83
4.4 Einsatz in der industriellen Praxis 95
4.5 Diskussion 96
4.5.1 Belastbarkeit der Ergebnisse 96
4.5.2 Interpretation der Ergebnisse 96
4.6 Fazit 98
5 Ökologische Bewertung 99
5.1 Umweltwirkungen von KSS entlang ihres Lebensweges 99
5.2 Lebenswege nichtwassermischbarer KSS 100
5.2.1 Paraffinbasisches Solventraffinat (Mineralöl) 101
5.2.2 Palmitinsäure-Ethylhexylester (Rapsöl/ Palmöl) 103
5.2.3 KSS auf Basis eines chemisch synthetisierten Tierfettesters 106
5.2.4 KSS auf Basis eines biotechnologisch synthetisierten
Altspeisefettesters 111
5.3 Life Cycle Assessment (LCA) 113
5.3.1 Festlegung von Ziel und Untersuchungsrahmen (goal and scope
definition) 114
5.3.2 Sachbilanz (inventory analysis) 115
5.3.3 Wirkungsabschätzung (impact assessment) 117
5.3.4 Auswertung (interpretation) 119
5.3.5 Anwendungen (applications) 120
5.4 Durchführung - Ziel, Rahmen, Stoffstrommodelle und Datenquellen. 121
X Inhalt
5.4.1 Zieldefinition 121
5.4.2 Untersuchungsrahmen 122
5.4.3 Stoffstrommodelle 124
5.4.4 Szenarien und Sensitivitätsanalysen 127
5.4.5 Datenquellen 129
5.5 Ergebnisse 132
5.5.1 Direkter Vergleich der fünf KSS-Linien 132
5.5.2 Prozesskettenanalyse 144
5.5.3 Ergebnisse der Szenarien und Sensitivitätsanalysen 147
5.6 Diskussion 153
5.6.1 Belastbarkeit der Ergebnisse 153
5.6.2 Interpretation der Ergebnisse 159
5.7 Fazit . 161
6 Ökonomische Bewertung 162
6.1 Kostenfaktoren entlang des Lebensweges eines KSS 162
6.2 Stoffstromorientiertes Life Cycle Costing 164
6.2.1 Idee des Life Cycle Costing 164
6.2.2 Klassische Lebenszykluskostenrechnung 164
6.2.3 Kostenrechnung auf Basis von Stoffstromanalysen 165
6.3 Durchfuhrung 166
6.3.1 Kostenabschätzung der Abfallfettesterherstellung (Herstellersicht)
166
6.3.2 Kostenvergleich aus Anwendersicht 167
6.4 Ergebnisse 170
6.4.1 Herstellungspreise der Abfallfettester (Herstellersicht) 170
6.4.2 Kostenvergleich aus Anwendersicht 172
6.5 Diskussion 174
6.5.1 Belastbarkeit der Ergebnisse 174
Inhalt XI
6.5.2 Interpretation der Ergebnisse 175
6.6 Fazit 176
7 Synthese 177
7.1 Zusammenhang zwischen den Bewertungsebenen 177
7.2 Stoffstrommodellierung als integrierende Methode 179
7.3 Gesamtergebnis 179
8 Diskussion 182
8.1 Methodik 182
8.1.1 Kombination von Life Cycle Assessment und Life Cycle Costing
182
8.1.2 Diskrepanz zwischen ökologischer und ökonomischer Bewertung
183
8.1.3 Interdisziplinäre Fragestellungen 184
8.2 KSS auf Basis von Tierfett und Altspeisefett 185
8.2.1 Technische Herausforderungen - Rohstoff und Verfahrenswahl
185
8.2.2 EAL-KSS am Markt 186
9 Zusammenfassung und Ausblick 187
9.1 Zusammenfassung 187
9.2 Ausblick 188
lOLiteratur 190
Anhang A 213
Anhang B 216
AnhangC 223
XII
Abbildungen
Abb. 1-1: Braunschweiger Modell zum Life Cycle Management [HerO5] 2
Abb. 1-2: Struktur und Aufbau der Arbeit 4
Abb. 2-1: Begriffliche Einteilung der KSS nach [DIN-51385] 5
Abb. 2-2: Prozentuale Aufteilung der Inlandsablieferungen an Schmierstoffen in
Deutschland 2003 nach europäischen Sortengruppen [BAFA05] 6
Abb. 2-3: Einteilung der Metallbearbeitungsverfahren nach [DIN-8580] 7
Abb. 2-4: Schematische Darstellung der Spanbildung mit einem Drehmeißel
inklusive Temperaturverteilung in Werkzeug, Werkstück und Span
[Bau96] v 9
Abb. 2-5: Zusammensetzung von KSS nach [HVBG96] 12
Abb. 2-6: Kühlschmierstofflebensweg 18
Abb. 2-7: Weltweite Erdölvorräte [MWV06] 19
Abb. 2-8: Kühlschmiersystem mit Werkzeugmaschine (WZM) und
Filtereinheit -.
Abb. 2-9: Schleifschlamm und enthaltene KSS-Menge am Beispiel eines
Mineralölproduktes und eines alternativ einsetzbaren Pflanzenölesters
22
Abb. 2-10: Anstieg der Schleifschlammmenge in Abhängigkeit vom Ölgehalt 24
Abb. 2-11: Stofffluss eines nicht wassermischbaren Kühlschmierstoffes [Bau99]
25
Abb. 2-12: Einsatz von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen in der EU 36
Abb. 2-13: Marktpreise alternativer nwmb KSS 42
Abb. 2-14. Einschätzung der zukünftigen Absatzentwicklung von NawaRo-
Schmierstoffen aus Anbietersicht 42
Abb. 3-1: Molekülstruktur der Grundkörper von Kohlenwasserstoff-
Verbindungen in KSS-Komponenten aus Erdöl 46
Abb. 3-2: Reibungszustände in Abhängigkeit von der Schmierfilmdicke
[OTG06] 4g
Abb. 3-3: Scherung eines Flüssigkeitsfilms [Czi03] 49
Abbildungen, Tabellen, Formelzeichen und Abkürzungen XIII
Abb. 3-4: Chemische Struktur von natürlichen Ölen und Fetten 50
Abb. 3-5: Ungesättigte und gesättigte Fettsäure am Beispiel von Linolensäure
und Stearinsäure 50
Abb. 3-6: Metallische Werkstückoberfläche mit adsorbiertem Schmierfilm
[ÖTG06] 52
Abb. 3-7: Aus Rohöl hergestellte Produkte [Nyn99] 56
Abb. 3-8: Anteile der verschiedenen in Deutschland verbrauchten pflanzlichen
Öle[ufop04] 58
Abb. 3-9: Aufteilung der pflanzlichen Öle auf die verschiedenen
Industriezweige [Rad02] 59
Abb. 3-10: Deutschland - Im- und Exporte von Pflanzenölen im Jahr 2003
[ufop04] 59
Abb. 3-11: Verwertung von Tierfett in Deutschland 2003 [NieO4] 62
Abb. 4-1: KSS-Kreislauf in der Fertigung mit Schleifmaschine, Filtereinheit und
Schleifschlammentölung 67
Abb. 4-2: Darstellung der Schleifkräfte am Beispiel des Innenrundschleifens
(D Schleifbezugspunkt) 68
Abb. 4-3: Vorschubbewegungen der wichtigsten Schleifverfahren (nach
DIN 8589) [Hof05] 71
Abb. 4-4: Kinematik beim Außenrund-Einstechschleifen [Hof05] 72
Abb. 4-5: Schleifkräfte beim Einsatz von Methylestern als KSS 84
Abb. 4-6: Werkstückrauhtiefen beim Einsatz von Methylestern als KSS 85
Abb. 4-7: Normal- und Tangentialkräfte beim Einsatz biotechnologisch
hergestellter Ethylhexylester als KSS 85
Abb. 4-8: Werkstückrauhtiefen beim Einsatz biotechnologisch hergestellter
Ethylhexylester als KSS 86
Abb. 4-9: Schleifkräfte beim Einsatz chemisch-katalytisch hergestellter
Ethylhexylester als KSS 87
Abb. 4-10: Schleifkraftquotienten beim Einsatz chemisch-katalytisch
hergestellter Ethylhexylester als KSS 87
Abb. 4-11: Werkstückrauhtiefen beim Einsatz chemisch-katalytisch hergestellter
Ethylhexylester als KSS 88
XIV
Abb. 4-12: Vergleich der Eignung von Schweinefett- und Rinderfett-
Methylester als KSS 88
Abb. 4-13: Schleifkraftquotienten beim Einsatz ausgewählter Ethylhexylester,
9104 und G500 89
Abb. 4-14: Werkstückrauhtiefen beim Einsatz ausgewählter Ethylhexylester,
9104 und G500 90
Abb. 4-15: Schleifscheibenradialverschleiß beim Einsatz ausgewählter Ester als
KSS 91
Abb. 4-16: Schleifscheibenradialverschleiß beim Einsatz additivierter (A) und
unadditivierter chemisch synthetisierter Ethylhexylester als KSS 92
Abb. 4-17: Schleifscheibenradialverschleiß beim Einsatz additivierter (A) und
unadditivierter biotechnologisch hergestellter Ethylhexylester 94
Abb. 5-1: Stoffströme entlang des Lebensweges eines KSS 100
Abb. 5-2: Physikalische Raffination nach [Kal97] 104
Abb. 5-3: KSS- und Biodiesel-Herstellung aus Tierfett über Fettspaltung und
Veresterung 105
Abb. 5-4: Verfahrensfließschema der TME-Herstellung in der SARIA-Anlage
Malchin [And03] 108
Abb. 5-5: KSS- und Biodiesel-Herstellung aus Tierfett über zweifache
Umesterung (Stearinfraktion: KSS, Oleinfraktion: Biodiesel) 109
Abb. 5-6: Flussdiagramm zur Herstellung von Tierfettethylhexylester aus
Tierfettmethylester [FalO4] 110
Abb. 5-7: Beispiel eines Verfahrens zur Aufarbeitung von Altfett [Ker96] 112
Abb. 5-8: Verfahrensablauf der KSS-Herstellung durch enzymatische
Alkoholyse 113
Abb. 5-9: Bestandteile und Anwendungen einer produktbezogenen Ökobilanz
nach [ISO-14040] 114
Abb. 5-10: Vorgehen bei der Wirkungsabschätzung
(EW Einwohnerdurchschnittswert, E'99 Eco-Indicator 99) 119
Abb. 5-11: Verbrauch erschöpflicher Ressourcen durch KSS auf Basis von
Mineralöl, Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 132
Abbildungen, Tabellen, Formelzeichen und Abkürzungen XV
Abb. 5-12: Kumulierter Energieaufwand für KSS auf Basis von Mineralöl,
Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 134
Abb. 5-13: Potenzieller Treibhauseffekt durch KSS auf Basis von Mineralöl,
Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 135
Abb. 5-14: Potenzielle Photooxidantienbildung durch KSS auf Basis von
Mineralöl, Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 137
Abb. 5-15: Versauerungspotenzial durch KSS auf Basis von Mineralöl, Rapsöl,
Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 138
Abb. 5-16: Nährstoffanreicherungspotenzial durch KSS auf Basis von
Mineralöl, Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 139
Abb. 5-17: Krebsrisikopotenzial durch KSS auf Basis von Mineralöl, Rapsöl,
Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 140
Abb. 5-18: Feinstaubbildungspotenzial durch KSS auf Basis von Mineralöl,
Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 141
Abb. 5-19: Potenzielle Umweltwirkungen durch KSS auf Basis von Mineralöl,
Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett (normiert) 142
Abb. 5-20: Maximal erreichte Einwohnerwerte je Wirkungskategorie 144
Abb. 5-21: Prozesskettenanalyse am Beispiel des Ressourcenverbrauchs 145
Abb. 5-22: Prozesskettenanalyse am Beispiel des Treibhauspotenzials 145
Abb. 5-23: Einfluss der Schleifschlammentölung auf das Treibhauspotenzial von
KSS auf Basis von Mineralöl, Rapsöl, Palmöl, Tierfett und
Altspeisefett 149
Abb. 5-24: Relative Auswirkung der Schleifschlammentölung auf
Ressourcenverbrauch und Treibhauspotenzial von KSS auf Basis von
Mineralöl, Rapsöl, Palmöl, Tierfett und Altspeisefett 149
Abb. 5-25: Vergleich von konventioneller Energieversorgung in TB As und
Tierfetteigenverbrennung am Beispiel von Ressourcenverbrauch und
Treibhauspotenzial 151
Abb. 5-26: Ökologischer Nutzen verschiedener Tierfettnutzungsoptionen am
Beispiel von Ressourcenverbrauch und Treibhauspotenzial 151
Abb. 5-27: Schwankungsbereiche der Indikatorwerte für Treibhauspotenzial und
Ressourcenverbrauch gemäß der Sensitivitätsanalysen 152
XVI
Abb. 6-1: Kosten und Erlöse induzierende KSS-Stoffströme der
Nutzungsphase 163
Abb. 6-2: Preisklassen alternativen nwmb KSS nach Grundölart 168
Abb. 6-3: Entsorgungskostenentwicklung 1977 bis 2005 169
Abb. 6-4: Stahlpreisentwicklung 1975 bis 2004 (Basis: 2000) [destatisOö] 169
Abb. 6-5: Re-Invest in Abhängigkeit vom Esterpreis am Beispiel des
Kugelnabenschleifens 173
Abb. 7-1: Zusammenhang der Bewertungsebenen 178
Abb. 8-1: unterschiedliche Systemgrenzen bei LCA und LCC 183
Abbildungen, Tabellen, Formelzeichen und Abkürzungen XVII
Tabellen
Tab. 2-1: Spanende Verfahren mit geometrisch bestimmter und unbestimmter
Schneide [DIN-8580] 8
Tab. 2-2: Verfahrensbezogene Anwendungen von KSS (verändert nach [VDI-
3397-1]) 11
Tab. 2-3: Vergleich von synthetischen Ölen und Rapsöl mit Mineralöl [Bar00]13
Tab. 2-4: Additivierungsmöglichkeiten nichtwassermischbarer KSS (verändert
nach[Bar94]) 15
Tab. 2-5: Additiv-Stoffklassen mit Mengenangaben aus [Bau99] 16
Tab. 2-6: Kriterien und Anhaltswerte zur stofflichen Verwertung von ölhaltigen
Schleifschlämmen [BIVA97] 27
Tab. 2-7: Überblick über Verfahren der Schleifschlammentölung [Hof97] 28
Tab. 2-8: Zielerfüllung durch Trockenbearbeitung und MMS 30
Tab. 2-9: Übersicht über verfügbare Erfahrungen mit MMS und
Trockenbearbeitung (verändert nach [LGABW04]) 32
Tab. 2-10: Stoffklassen biologisch schnell abbaubarer Schmierstoffe 33
Tab. 2-11: Zielerfüllung durch biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe
(Ester) auf Basis nachwachsender Rohstoffe 35
Tab. 2-12: Rechtsverbindliche Vorgaben zum sicheren Umgang mit KSS j
[VSI05a] 38 I
Tab. 2-13: Weitere Vorgaben zum sicheren Umgang mit KSS [VSI05a] 39
Tab. 3-1: Fettsäurespektren des Ester-KSS 9104 der Firma Castrol, pflanzlicher
Öle und Abfallfette 51
Tab. 3-2: Mengenströme möglicher KSS-Ausgangsstoffe in Deutschland 64
Tab. 4-1: Physikalische Eigenschaften der chemisch-katalytisch durch zweifache
Umesterung hergestellten Esteröle und eines biotechnologisch
hergestellten Altspeisefettesters (D) 75
Tab. 4-2: Physikalische Eigenschaften der durch enzymatische Alkoholyse
hergestellten Esteröle (EF Erdnussfett, SS Schweineschmalz, OÖ
Olivenöl) 76
XVIII
Tab. 4-3: Bei den Schleifversuchen eingesetzte Stoffe (2EH Ethylhexanol, ME
Methanol, RT Raumtemperatur) 79
Tab. 4-4: Randbedingungen der Schleifversuche 80
Tab. 4-5: Überblick über die Schleifversuche (V'w = bezogenes
Zerspanungsvolumen) 81
Tab. 5-1: Bei der atmosphärischen Destillation getrennte Erdölfraktionen
(verändert nach [Fed92]) 101
Tab. 5-2: Wirkungskategorien, Indikatorsubstanzen und Äquivalenzfaktoren
nach [UBA95] 118
Tab. 5-3: Abgebildete Prozessschritte der fünf KSS-Lebenswege 124
Tab. 5-4: KSS-relevante Stoffströme beim Schleifen der Kugelnaben 126
Tab. 5-5: Datenquellen für die Modellierung der KSS-Lebenswege (Mineralöl).
130
Tab. 5-6: Datenquellen für die Modellierung der KSS-Lebenswege (Ester). 131
Tab. 5-7: Rangfolge nach abnehmendem Umweltwirkungspotenzial 142
Tab. 5-8: LCA-Studien für Schmierstoffe (Auswahl) 154
Tab. 6-1: Kostensätze der verwendeten Stoffe 167
Tab. 6-2: Weitere Produktionskosten, verändert nach [Gro05] 167
Tab. 6-3: Entsorgungskosten und -erlöse für KSS-Abfälle 170
Tab. 6-4: Zusammensetzung des Herstellungspreises von 1 kg Altspeisefettester
170
Tab. 6-5: Zusammensetzung des Herstellungspreises von 1 kg Tierfettester. 171
Tab. 6-6: Marktpreise von konventionellem und alternativen KSS 172
Tab. 6-7: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für KSS auf Esterbasis beim
Kugelnabenschleifen 172
Tab. 7-1: Zusammenfassung der Kriterienerfüllung 181 |
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