Bewertung und Analyse der chemischen, physikalischen und tribologischen Merkmale von biobasierten Schmierstoffen und Kraftstoffen

Abstract

Diese Forschungsarbeit vereint zwei Hauptthemen: Kraft- und Schmierstoffe sowie Chemie und Technologie. Einerseits wird die Umweltauswirkung von Kraft- und Schmierstoffen diskutiert, die größtenteils aus fossilen Quellen stammen und durch ihre Verbrennung maßgeblich zum globalen atmosphärischen CO2-Niveau beitragen. Andererseits liegt der Fokus auf der technischen Chemie, insbesondere auf den beträchtlichen CO2-Emissionen der chemischen Industrie, darunter die Petrochemie, die einen wesentlichen Teil der chemischen Produktion ausmacht. CO2 fungiert als das dominierende Treibhausgas und treibt den gegenwärtigen Klimawandel maßgeblich voran.Als Reaktion auf den voranschreitenden anthropogenen Klimawandel strebt die Welt die Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs) und die Reduzierung des globalen Temperaturanstiegs gemäß dem Pariser Abkommen an, um eine gerechte und nachhaltige Zukunft zu gewährleisten. Dabei wird die Reduzierung von Treibhausgasen durch grundlegende Defossilisierung und Dekarbonisierung angestrebt. Verschiedene Ansätze zur Dekarbonisierung von Kraft- und Schmierstoffen werden untersucht, darunter die Verwendung alternativer Rohstoffe für mehr Nachhaltigkeit, die Einsparung von Ressourcen (Energie, Materialien) durch die Verringerung von Reibung und Verschleiß in tribologischen Kontaktzonen, die Ermittlung optimaler Leistungsbereiche und die Integration von Lebenszyklusanalysen zur genauen Bestimmung von Problemherden. Zusätzlich werden europäische Projekte im Detail untersucht, die sich auf die Substitution erdölbasierter Kraft- und Schmierstoffe konzentrieren, einschließlich Biomasse-zu-Kraftstoff, Abfall-zu-Treibstoff, CO2-Abscheidung und -nutzung sowie Biomasse-Bilanzansätze, zusammen mit den dazugehörigen Technologien. Es werden tribologische Regimes und Tests zur Bewertung der Schmierstoffleistung erörtert, Empfehlungen vorgestelltund eine Auswahl umweltfreundlicher Schmierstoffadditiv-Alternativen präsentiert. Des Weiteren werden nachhaltige Alternativen für Schmierstoffgrundöle untersucht, inklusive vorhandener Informationen zur Toxizität und Tribologie. Diese Arbeit untersucht auch das Potenzial von Öl ausKaffeesatz als biobasierte und aus Abfällen gewonnene Option für die Nutzung als Schmierstoff und zeigt im Zuge dessen vielversprechende Reibungs- und Verschleißeigenschaften auf.Diese Studie untersucht die strukturellen Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Dieselkraftstoff auf Erdölbasis und Biodiesel und legt dabei den Schwerpunkt auf die Parameter, die für die Bewertung gemäß gängiger Normungstests relevant sind. Sie analysiert die Differenzen in den physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihre jeweiligen Auswirkungen auf Leistung und Umwelt, sowie die Vor- und Nachteile, die mit diesen Unterschieden einhergehen. Bei Biodiesel führen natürliche Spurenelemente zur Ausfällung von gesättigten Monoglyceriden über dem Trübungspunkt (Cloudpoint), was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von verstopften Kraftstofffiltern führt. Dies war der Ausgangspunkt für die Entwicklung einer verbesserten Methode, die Gaschromatographie mit Elektronenstoßionisations-Tandem-Massenspektrometrie kombiniert. Zuvor gab es keine geeignete Nachweismethode für handelsübliche Dieselmischungen mit einem Biodieselanteil von 7 %, insbesondere um die erforderliche niedrige Nachweisgrenze zu erreichen.Zusammenfassend liefert diese Arbeit ein umfassendes Verständnis der Herausforderungen und Möglichkeiten der Dekarbonisierung in den Bereichen Schmierstoffe und Kraftstoffe, sowie potenzielle Lösungsansätze für diese Probleme.

The environmental impact of fuels and lubricants is discussed, noting that most of them are based on fossil resources, contributing significantly to global atmospheric CO2 levels through their combustion. Furthermore, attention is drawn to the chemical industry's substantial CO2 emissions, particularly from petrochemicals. CO2 is the most dominant greenhouse gas and, thus, is driving today's climate change. Different approaches for decarbonizing fuels and lubricants are explored, including the adoption of alternative materials for enhanced sustainability, resource conservation (energy, materials) through the reduction of friction and wear in tribological interfaces, identification of optimal performance ranges, etc. The discussion covers tribological regimes and tests designed to evaluate lubricant performance, presenting their recommendations, and a selection of environmentally friendly lubricant additive alternatives. Additionally, the study investigates the potential of oil derived from spent coffee grounds as waste-derived option for lubrication. The thesis delves into the comparative analysis of structural similarities and differences between petroleum-based diesel and biodiesel. As for biodiesel, natural trace elements cause precipitation of saturated monoglycerides above the cloud point, leading to an increased number of filter blocking incidents. This provided the starting point for an enhanced method development using gas chromatography coupled with electron ionization tandem mass spectrometry. Previously, there had been no detection technique accessible for commercially available diesel blends containing 7 % biodiesel, particularly for achieving the low limit of detection required.