Bewegung führt zu Reibung. Und durch Reibung geht Energie verloren – und zwar in einer gewaltigen Größenordnung, wie Oliver Koch vorrechnet: „23 Prozent der weltweit erzeugten Energie gehen alleine durch Verschleiß und Reibung in technischen Teilen verloren.1 Reibung verursacht 20 Prozent dieser Verluste, Verschleiß drei Prozent. Theoretisch könnten wir fast ein Viertel der Kraftwerke abschalten, wenn wir keine Reibung und keinen Verschleiß hätten.“
Kochs Forschungsteam betrachtet Reibung und Verschleiß unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit. Enormes Potenzial sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler besonders in sogenannten Wälzlagern. Diese Bauteile übertragen Bewegung durch Kugeln oder Rollen und sorgen dafür, dass sich Wellen, Achsen oder Schwenkarme kontrolliert drehen oder bewegen.
Zwar sind moderne Wälzlager mit Wirkungsgraden von 99,9 Prozent bereits hocheffizient. Aber die verbleibenden 0,1 Prozent Reibungsverlust summieren sich global gesehen zu einer Größenordnung, die relevant ist. „Es dreht sich eben verdammt viel auf unserer Welt“, bringt es Koch auf den Punkt.
Allein die Reibungsverluste der Wälzlager, die weltweit jedes Jahr neu installiert werden, verursachen rund 420 Terawattstunden Energieverbrauch pro Jahr.2 Lege man den deutschen Strommix zugrunde, ergebe das einen globalen CO2-Fußabdruck in Höhe von etwa 182 Millionen Tonnen CO₂-Ausstoß pro Jahr. Das sind 0,5 Prozent der globalen CO₂-Emissionen und mehr, als der gesamte Verkehr in Deutschland emittiert. „Hier liegt ein unterschätzter Hebel für den Klimaschutz: Wenn ich die Verluste bei weltweit eingesetzten Lagern um zehn Prozent reduziere, spare ich 0,05 Prozent des globalen CO₂-Haushalts ein. Und dabei ist noch nicht berücksichtigt, dass die durchschnittliche Gebrauchsdauer eines Wälzlagers mehrere Jahre beträgt.“
Koch findet, dass die Diskussion in Deutschland das Effizienzpotenzial solcher Bauteile unterschätzt. „Ein Tempolimit würde rund sieben Millionen, ein Inlandsflugverbot etwa zwei Millionen Tonnen CO₂ vermeiden“, sagt er – also deutlich weniger, als durch effizientere Maschinenelemente möglich wäre.
Seine Forschung zielt darauf ab, Wirkungsgrade zu verbessern, sprich: Komponenten im Detail so zu optimieren, dass möglichst wenig der eingesetzten Energie ungenutzt verloren geht. „Wir reden dabei nicht über eine Haushaltsbohrmaschine, die zehn Minuten im Jahr genutzt wird, sondern über Anlagen mit langen Laufzeiten. Denn hier entsteht während der Nutzung zehn- bis hundertmal so viel CO₂, wie bei der Herstellung“, erklärt Koch.
Weil die verbliebenen Stellschrauben bei bereits effizienten Teilen sehr fein sind, suchen die Forschenden mit hochpräzisen Simulationsmodellen nach Verbesserungsmöglichkeiten. Früher sei man im Maschinenbau oft nach dem Prinzip „Trial and Error“ vorgegangen, erklärt Koch: „Man hat Dinge gebaut, getestet und geschaut, ob sie länger halten oder effizienter laufen.“ Heute bilden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler technische Systeme digital ab, um Prozesse auf Kontaktebene zu verstehen, also dort, wo Metall auf Metall trifft – nur getrennt durch einen sehr dünnen Schmierfilm - und Reibung entsteht.
Diese Simulationen zeigen, wie sich kleinste Veränderungen in Material, Schmierung oder Geometrie auf Energieverluste auswirken. „Wir müssen die einzelnen Komponenten betrachten und genau verstehen, was zwischen den Kontaktflächen passiert. Nur so können wir in den nächsten Schritten die Reibung reduzieren und Wirkungsgrade verbessern“, sagt Koch.
Die Forschenden betrachten technische Systeme dabei in ihrer ganzen Komplexität. Denn wenn es gelingt, ein Lager effizienter zu machen, wirkt sich dies häufig auch an anderer Stelle aus, im Idealfall positiv. Koch erklärt dies am Beispiel eines Radlagers in einem E-Auto. „Bei der Batterie entsteht der CO₂-Fußabdruck vor allem durch die aufwendige Herstellung. Beim Radlager hingegen entsteht der CO₂-Fußabdruck überwiegend in der Nutzung. Wenn man die Verlustleistung eines Radlagers um nur ein Watt reduziert, spart man nicht nur CO₂ während der Nutzung. Es kann auch die Batterie kleiner ausgelegt werden, weil weniger Energie für die gleiche Reichweite nötig ist. Dadurch spare ich sowohl bei der Batterieherstellung als auch an Ladeverlusten.“
Den Charme solcher technischen Verbesserungen sieht er nicht zuletzt darin, dass diese quasi automatisch wirken, wenn sie einmal umgesetzt sind. „Das sind skalierbare Lösungen, die unabhängig vom einzelnen Nutzer funktionieren“, erklärt Koch. „Wenn Hersteller ihre Produkte reibungsärmer auslegen, ist das in jedem neuen Gerät schon eingebaut. Das ist Klimaschutz, bei dem niemand bewusst auf etwas verzichten muss. Das spart Energie von selbst.“
Doch es gibt einen Haken: Für die globale Energiebilanz sind selbst minimale Verbesserungen relevant, für den einzelnen Hersteller sind diese dagegen oft kaum messbar. „Letztlich hängt alles an der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung“, sagt Koch. „Die Lösungen, die wir entwickeln, entstehen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie und sind auf den Praxiseinsatz ausgelegt. Zum Beispiel haben wir ein Reibungsmodell im Rahmen der Forschungsvereinigung Antriebstechnik entwickelt, mit dem Ingenieurinnen und Ingenieure Systeme berechnen und optimieren können. Entscheidend ist dabei immer auch, dass solche Entwicklungen mehr oder weniger kostenneutral bleiben, damit sie den Sprung in die breite Anwendung schaffen. Nur dort können sie ihre Klimaschutzwirkung entfalten.“
1 Holmberg, K. and Erdemir, A. (2017), “Influence of Tribology on Global Energy Consumption, Costs and Emissions,” Friction, 5(3), pp 263–284.
2 Vgl. Bakolas, V., Rödel, P., Pausch, M.: „Abschätzung der weltweiten Energiebilanz von Wälzlagern “, Tribologie + Schmierungstechnik 69 4, 41-47, 2022. DOI: 10.24053/TuS-2022-0022
Bakolas, V., Rödel, P., Koch, O., Pausch, M. (2021). A first approximation of the global
energy consumption of all ball bearings. Tribology Transactions, 64(5), 883-890.
Wingertszahn, P., Koch, O., Maccioni, L., Concli, F., Sauer, B. (2023). Predicting Friction of Tapered Roller Bearings with Detailed Multi-Body Simulation Models. Lubricants, 11(9), 369. https://doi.org/10.3390/lubricants11090369
20 Minutes With Oliver Koch, June 2024. Webseite der Society of Tribologists and Lubrication Engineers.
