Die Beiträge der Chemie zu den kommenden Megatrends … · 2015-01-30 · Die Beiträge der Chemie zu den kommenden Megatrends Das Auto in der (e-)mobilen Zukunft Factbook 02 Ihr

Die Beiträge der Chemie zu den kommenden Megatrends

Das Auto in der (e-)mobilen ZukunftFactbook 02

Ihr Schlüssel

zur Chemie

Verband der Chemischen Industrie e. V. Mainzer Landstraße 55 60329 Frankfurt am MainTelefon: + 49 69 2556-1496 Telefax: + 49 69 2556-1613 E-Mail: [email protected] Weitere Informationen auch im Internet: www.chemische-industrie.de

Factbook 02 | Das Auto in der (e-)m

obilen Zukunft

Der USB-Stick spielt alle Texte, Daten und Abbildungen

der bisher erschienenen Factbooks auf Ihren Computer – für Ihr

persönliches Archiv. Und gerne auch zum Abdruck

in Ihrem Medium.

Inhaltsverzeichnis:

Seiten zum Aufklappen

SchaubildDasAutoderZukunftbasiertaufChemie.

NichtnurbeiE-MobilitätundBatterie–zuallenAntriebstechnologienleistetdieChemieBeiträgemitdemZielsinkenderUmweltkosten.InderLupe:Batterie,Antrieb(Verbrennung,Brennstoffzelle,HybridI,HybridII,E-Motor)

Leichtbau,Scheiben,LED,Reifen,Lack,KunststoffewieDuroplaste,Elastomere,Polyurethanschaum,Thermoplaste

Auf einen Blick Grafiken:NeueMaterialienimAuto

DerWelt-Pkw-MarktAntriebsartennachAnteilen

Kennzahlen DiechemischeIndustrieinDeutschland,

IhreAnsprechpartnerimVCI

EditorialMobilitätsteigern,Umweltwenigerbelasten:DasElektroautonimmtFahrtauf.DieChemiehatfürdieMobilitätderZukunftjedeMengeanzubieten.VonVCI-HauptgeschäftsführerDr.UtzTillmann

Exklusiv-UmfrageDeutscheaufStromlinie:WiestehendieBürgerzumAutomitElektroantrieb?

Perspektive MobilitätWirddieZukunftelektrisch?WettbewerbderAntriebstechnologien

Plus: Die Batterie und ihre GeschichteDieStoryeinesBlitzstarters:Vonihrerbleiernen„Steinzeit“bisindieHightech-Ära

Daten und Fakten IVonGenerationzuGeneration:Batterienwerdenimmerleistungsfähiger

Foto IProduktionderAutobatterieinKamenz:AufdieZelleunddenInhaltkommtesan

Daten und Fakten IISofunktioniertdieLithium-Ionen-Batterie:DieSachemitdemSchaukelstuhl

Lithium in der HauptrolleWiekommtesindieBatterie–undwiekommteswiederheraus?EinUnternehmeninFrankfurtamMainistderweltweitgrößteHerstellervonLithiumprodukten,mitKnow-howzuVerarbeitungundRecycling

Foto IILithium-AufbereitunginFrankfurtamMain:DerwenigbekannteProzess,ohnedeninderE-Mobilitätnichtsläuft

Wärmemanagement für das AutoIstIhrWagenrichtigangezogen?KunststoffeerziehenAutosdazu,ihreAbwärmezuverwerten.DerGewinnfürdieUmwelt:wenigerKohlendioxid-EmissionenprogefahrenenKilometer

Neue Kunststoffe und Material-KonzepteWiesiehtderMixderZukunftaus?Autosmüssenleichterwerden–WerkstoffederChemiebietendazueineVielfaltvonMöglichkeitenan

Faszination LeichtbauFliegtunsnochdasBlechweg?WerinZukunftaufregendeAutosgestaltet,setztaufHightech-Kunststoffe

Deutschland auf der Überholspur?NetzezwischenIndustrieundHochschulen:LIB2015koordiniert60PartnerausIndustrieundWissenschaft.2015solleinwichtigerMeilensteinerreichtsein

Landkarte der E-MobilitätDeutschlandmachtelektromobil!ProjektederE-MobilitätinDeutschlandnachModellregionen

Daten und Fakten IIIWiederGummigrünwurde:dieReduzierungdesRollwiderstandsbeiAutoreifeninderZeitleiste

Titelbild: mikroskopische Aufnahme von Lithiumacetat

(Kage/SPL/Agentur Focus)

Das Auto in der (e-)mobilen ZukunftFactbook 02

AufdenFotoblättern findenSieFotoszurkostenfreienVerwendunginIhremMedium

Seite 1 / 2

Factbook 02Das Auto in der (e-)mobilen Zukunft

VCI-Hauptgeschäftsführer Dr. Utz Tillmann

Mobilität steigern, Umwelt weniger belasten

Das Elektroauto nimmt Fahrt auf. Die Chemie hat für die Mobilität der Zukunft jede Menge anzubieten.

Bei seiner Gründung im Jahr 1897 machte der erste deutsche Automobilclub Mitteleuropäischer Motorwagen Verein (MMV) mit einer gewagten Aussage auf sich aufmerksam: „Das große Gebiet des weiten Landes wird von Ölmotorfahrzeugen durcheilt werden, während die glatte Asphaltfläche der großen Städte von mit Elektrizität getriebenen Wagen belebt sein wird.“ Diese Prognose stützte sich darauf, dass eines von acht Fahrzeugen, die man auf der begleitenden Ausstellung präsentierte, elektrisch bewegt wurde. Nach der gut 100-jährigen Dominanz des Verbrennungsmotors könnte sich die Weissagung nun bewahrheiten. Die Diskussion um endliche Ressourcen und den Klimawandel hat Elektrofahrzeuge in der Modellstrategie der Autohersteller wieder ganz nach oben befördert.

Heute liegen 90 Prozent der Fahrten, die mit einem Auto unternommen werden, unterhalb von 50 Kilometern – nicht nur bei uns. Das elektrische Stadtauto stellt damit eine Option für moderne Metropolen überall auf der Welt dar. Vor allem in Afrika und Asien zieht es die Menschen in die Megacitys, wo der Wechsel vom Fahrrad oder Moped auf das Auto Ausdruck wachsenden Wohlstands ist. Bis 2020 sollen weltweit 1,4 Milliarden Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein. Diesen Trend so umweltverträglich und klimaschonend wie möglich zu gestalten, ist eine der größten Aufgaben unserer Zeit.

Elektrofahrzeuge werden uns helfen, diese Herausforderung zu meistern. Dabei übernimmt die chemische Industrie mit ihrem Know-how und ihren Produkten eine zentrale Rolle: mit Kunststoffen für den Leichtbau, mit Kohlefasern und Klebstoffen für mehr Stabilität und Sicherheit der Fahrgastzelle sowie mit Hochleistungsbatterien oder Brennstoffzellen – beziehungsweise einer Kombination aus beiden Stromquellen – als umweltfreundliche Antriebsform des E-Mobils.

Weniger Gewicht bedeutet auch beim Elektroauto geringeren Energieverbrauch und größere Reichweite. Gerade zu diesem Problem bietet die Chemie Lösungen an: Kunststoffe sind besonders leicht und trotzdem stabil, gleichzeitig lassen sie sich einfach verarbeiten.

Seite 2 / 2


Werkstoffe mit solchen Eigenschaften machen bei den Konstrukteuren Karriere: Fast eine Million Tonnen Kunststoffe wurden zuletzt in Fahrzeugen in Deutschland verbaut. Rund ein Siebtel der Materialien, aus denen ein Auto besteht, entfällt heute auf Polymere. Tendenz steigend. Beim E-Mobil wird es darauf ankommen, die Entwicklung von Kunststoffen weiter voranzutreiben, etwa im Verbund mit Karbonfasern. Schon heute wird dieses Material im Rennsport und in steigendem Maße im Flugzeugbau eingesetzt – zwei Bereiche, in denen es auf geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Sicherheit ankommt. Außerdem ist Kleben statt Schweißen auf den Montagebändern der Autohersteller immer mehr angesagt. Zwischen 15 und 18 Kilogramm Klebstoffe kommen beim Zusammenfügen aller Teile heute zum Einsatz. Bis zu zehn Prozent Gewichtsersparnis bringt diese Form gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren. Und nicht zu unterschätzen in ihrer Wirkung als Energiesparer: Spezielle Gummimischungen für Reifen reduzieren ihren Rollwiderstand immer weiter.

Die Batterie wird den Verbrennungsmotor in den nächsten 20 Jahren nicht verdrängen. Stattdessen werden Elektrofahrzeuge im Wettbewerb mit effizienteren Verbrennungs-motoren stehen oder als Hybridlösung beide Antriebsformen in sich vereinen. Außerdem müssen sich Batterien beim Elektroauto im Wettbewerb mit Brennstoffzellen bewähren. Diese haben heute bei der Reichweite die Nase vorn, müssen aber noch eine Reihe von technischen Hürden überwinden. Auch bei der Brennstoffzelle stammen wichtige Kernkomponenten wie das Material für die Membran oder die Katalysatoren für die Umwandlung von Wasserstoff in Strom aus der Chemie.

Den Königsweg für das umweltfreundliche Auto schlechthin gibt es heute noch nicht. Alle Antriebsarten werden sich weiterentwickeln und von den Herstellern auf Umweltverträg-lichkeit optimiert. Welche Route das Auto nach 125 Jahren in den kommenden Jahrzehnten einschlägt, wird sich zeigen. Sicher ist: Wohin auch immer die Entwicklung des Autos führt, die Chemie fährt auf jeden Fall mit.

Dr. Utz Tillmann Hauptgeschäftsführer des Verbandes der Chemischen Industrie

Seite 1 / 1

Exklusiv-Umfrage zur Elektromobilität

Deutsche auf Stromlinie?

Die Meinungsforscher von Forsa erhoben exklusiv für das „VCI-Factbook“, wie viele Deutsche schon vorhaben, ein Elektroauto zu kaufen. Ergebnis: Chancen und Barrieren sind etwa gleich hoch.

E-Auto kaufen – ja oder nein?Die Zustimmung zur Elektromobilität ist eher in den alten Bundesländern gegeben. Die Befragten in Ostdeutschland können sich deutlich seltener vorstellen, in nächster Zeit ein Elektroauto anzuschaffen – allerdings ist auch die Besiedlungsdichte in Ost- und Westdeutschland unterschiedlich und im Osten Deutschlands wird häufig über deutlich längere Entfernungen gependelt.


Quelle: Forsa

Innerhalb der nächsten drei Jahre ein Elektroauto zu kaufen, könnten sich vorstellen

„Ja“ nach Alter18 – 29 Jahre 44 %

30 – 44 Jahre 48 %

45 – 59 Jahre 48 %

60 und älter 27 %

„Ja“ nach BildungHauptschule 29 %

Mittlerer Abschluss 43 %

Abitur, Studium 42 %

West

Ja 42 %

Nein 48 %

weiß nicht 10 %

Ost

Ja 28 %

Nein 59 %

weiß nicht 13 %

Insgesamt

Ja 39 %

Nein 50 %

weiß nicht 11 %

Seite 1 / 4


Konzepte für die Mobilität der Zukunft

Energieschub fürs Auto: Die Zukunft ist elektrisch

Autofahren und Umwelt schonen – wie geht das? Reiner Elektroantrieb oder Hybridtechnik bieten sich bereits an. Und das Innovations-Karussell dreht sich weiter und schneller: Bereits in der Entwicklung sind immer neue zukunftsweisende Lösungen, bei denen die Chemie einen entscheidenden Beitrag leistet.

Schon in zehn Jahren rollen geschätzte 1,4 Milliarden Autos auf den Straßen dieser Welt – damit wird sich der Fahrzeugbestand im Vergleich zu heute um knapp die Hälfte erhöhen. Trotz aller Anstrengungen, bei konventionellen Antrieben Kraftstoff zu sparen, dürften sich deshalb die durch den Straßenverkehr insgesamt verursachten Emissionen nicht wesentlich verringern. Die Situation wird durch die langfristig zunehmende Ressourcenverknappung beim Erdöl noch verschärft. Deshalb stellt sich immer dringlicher die Frage nach einer Alternative. Der Ausbau der regenerativen Energien wie Windkraft, Solar- und Bioenergie bietet Chancen in Verbindung mit neuen Mobilitätskonzepten. Viele erneuerbare Energiequellen liefern Strom, der auch durch die künftige Elektromobilität genutzt werden soll – ganz nach dem Motto: Elektromotor und wieder aufl adbare Batterie statt Verbrennungsmotor und Tank. Diese Kombination liefert schon heute lokal emissionsfreie Mobilität – das Auto fährt ohne Abgase.

Im Moment werden von den Herstellern unterschiedliche Antriebskonzepte nebeneinander verfolgt: Einerseits Autos, die ausschließlich durch eine Batterie (EV = Elektrofahrzeuge) angetrieben werden, andererseits eine Kombination, bei der die batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge durch einen sogenannten Range Extender (REEV) zur Vergrößerung der Reichweite ergänzt werden. Daneben gibt es Hybrid-Lösungen (HEV, PHEV), die weiterhin hauptsächlich klassische Verbrennungsmotoren nutzen, diese aber mit der Batterie koppeln. Dies dient zur Unterstützung beim Beschleunigen und/oder Überwinden von kurzen Fahrstrecken auf rein elektrischem Wege, ohne dass der Benzin- oder Dieselmotor gebraucht wird. Dies führt insgesamt zu einer Reduzierung des Treibstoffverbrauchs.

Auch die Entwicklung der Brennstoffzelle für den Einsatz im Fahrzeug läuft weiter. Ihre Anwendung ist dann sinnvoll und wirklich umweltfreundlich, wenn der Brennstoff (vor allem Wasserstoff) mithilfe regenerativer Energien erzeugt wird. Verfügbare Brennstoffzellen

Seite 2 / 4


für Fahrzeuge haben schon heute eine Reichweite von mehr als 400 Kilometern, und werden derzeit sowohl in Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse als auch für Busse und Nutzfahrzeuge gesehen. Die neue Fahrzeuggeneration soll ab 2017 mit einer Reichweite von mehr als 600 Kilometern in Kleinserien – je nach Hersteller 5.000 bis 10.000 Fahrzeuge pro Jahr - zur Verfügung stehen.

Ein Großteil aller Fahrten (70 Prozent) in Deutschland endet unter einer Entfernung von 20 Kilometern – und 90 Prozent aller Tagesfahrleistungen summieren sich auf maximal 50 Kilometer. Dennoch sind Kurzstrecken für Elektroautos nicht alles: „Ziel unserer Arbeiten muss es sein, eine Reichweite von 400 Kilometern bei einem Batteriegewicht von weniger als 200 Kilogramm zu gewährleisten“, erklärt Dr. Andreas Kreimeyer, Vorsitzender des VCI-Ausschusses Forschung, Wissenschaft und Bildung. Angestrebt wird eine Steigerung der Energiedichte je Kilogramm Batteriegewicht um den Faktor 3. Gleichzeitig macht das die Batterien kompakter. Auch Fortschritte im Leichtbau durch gewichtssparende Kunststoff-Verbundmaterialien werden den Energieverbrauch künftiger Elektroautos senken und damit ihre Reichweite steigern.

Lithium-Ionen-Batterie im Automobil: Bis zu fünf Mal mehr Speichervermögen als der BleiakkuWie funktioniert eine Batterie? Batterien sind Energiespeicher, bei deren Aufl adung elektrochemische Reaktionen ablaufen, die beim Entladen (also bei Strombedarf) in umgekehrter Richtung erfolgen. Der Aufbau einer Batterie ist immer ähnlich: Sie besteht aus den Elektroden, unterschieden nach Pluspol und Minuspol, dem Elektrolyten und dem Separator, der einen direkten Kontakt der Elektroden verhindert. Eine Brennstoffzelle ist ganz ähnlich angeordnet.

Die bekannteste Batterie ist die Blei-Säure-Batterie, die aber in Hinblick auf die Elektromobilität zwei unüberwindliche Nachteile aufweist: Sie ist deutlich zu schwer und weist damit nur eine geringe Energiedichte auf. Außerdem ist sie nicht zyklenstabil, womit die Zahl der möglichen Lade- und Entladevorgänge erheblich begrenzt ist.

Deshalb ist die Blei-Batterie für künftige Elektrofahrzeuge nicht geeignet. Batterien müssen möglichst leicht, mit hoher Energiedichte ausgestattet und dabei auch bezahlbar sein. Um die Entwicklung auf dem Gebiet der Batterien zu verdeutlichen, lohnt sich der Vergleich verschiedener Technologien.

Seite 3 / 4

Factbook 02Das Auto in der (e)-mobilen Zukunft

Dazu hier eine modellhafte Beispielrechnung: Angenommen sei ein Fahrzeug von 1.000 Kilogramm Gewicht und einer Reichweite von 200 Kilometern. Dafür wird ein Energieinhalt von 36 Kilowattstunden angesetzt. Wollte man diesen mit einer Blei-Säure-Batterie erbringen, die eine Energiedichte von 30 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) aufweist, müsste man ein „Batteriemonster“ von 1,2 Tonnen mitnehmen. Bei Akkumulatoren vom Nickel-Metallhydrid-Typ, die es seit rund 20 Jahren gibt, sind die Verhältnisse schon deutlich günstiger: Bei einer Energiedichte von 80 Wh/kg sinkt das Gewicht auf 450 Kilogramm. Stand der Technik sind heute Lithium-Ionen-Batterien mit etwa 100 Wh/kg, die in Kameras, Handys und Laptops bereits beste Dienste leisten. Für die Anwendung in Elektrofahrzeugen kann zukünftig eine Energiedichte von 150 Wh/kg angenommen werden. Im Gegenzug sinkt ihr Gewicht auf 240 Kilogramm.

Energiedichte und damit Reichweite, elektrische Leistungsfähigkeit, Kosten und Lebensdauer sind zentrale Herausforderungen, auf welche die Chemie Antworten gibt. Nicht weniger bedeutend ist dabei der Aspekt Sicherheit. Hier hat die deutsche Chemie mit einem keramischen Separator eine besondere Trumpfkarte im weltweiten Wettlauf um die Batterie der Zukunft. Diese Membran trennt Plus- und Minuspol der Zelle und verhindert so einen Kurzschluss auch im Falle eines Falles – also bei elektrischen Defekten und mechanischen Beschädigungen. Der fl exible Separator besteht aus einem Kunststoffvlies, das durchgehend keramisch beschichtet ist. Dank dieser besonderen Zusammensetzung ist die Membran hitzebeständig bis zu 700°C und erhöht somit die Sicherheit der Batteriezellen.

Neuartige Lithium-Batterien brauchen Luft aus der UmgebungDeutsche Chemieunternehmen arbeiten zusammen mit Forschungseinrichtungen intensiv an innovativen Materialien für die zweite bis vierte Generation der künftigen Automobilantriebsbatterien. Zum Beispiel für Elektrolyte oder Kathoden. Bei diesen besonders wichtigen Batteriekomponenten wird an zwei Entwicklungsrichtungen gearbeitet: Nickel/Cobalt/Mangan-Systeme einerseits und Eisen- beziehungsweise Manganphosphat-Materialien andererseits liefern sich einen spannenden Wettlauf, wobei es auch um unterschiedliche Eigenschaften geht – „eingebaute“ Sicherheit gegen hohe Energiedichte. Da die Materialforschung in Deutschland seit jeher ein großes Gewicht besitzt, bestehen gute Chancen, dass sich Unternehmen aus unserem Land „auf dieser Fahrkarte“ eine gute Position im internationalen Wettbewerb erobern.

Seite 4 / 4


Noch in der Forschung sind neuartige Lithium-Systeme, bei denen Schwefel oder der Sauerstoff aus der Luft als Reaktionspartner des Lithiums (sogenannte Lithium-Batterien der 4. Generation) dienen sollen. Mit Ausführungen dieser Art sind Energiedichten denkbar, die zehnmal höher liegen als die der aktuell besten Lithium-Ionen-Batterien. Unter dieser Voraussetzung bräuchte ein Elektromobil für 200 Kilometer Reichweite nur noch ein Batteriepaket von 24 Kilogramm Gewicht. Ob das allerdings auch in der Praxis gelingt, ist noch offen. Es geht hier bislang noch um Grundlagenforschung.

„Die Lithium-Luft-Batterie ist gewissermaßen schon eine halbe Brennstoffzelle, denn der benötigte Sauerstoff ist nicht mit an Bord des Elektrofahrzeugs, sondern wird aus der Luft entnommen“, erklärt Professor Dr. Jürgen Janek, Direktor des Physikalisch-Chemischen Instituts der Justus-Liebig-Universität Gießen, wie Batterie und Brennstoffzelle am Ende einer zunächst parallelen Entwicklung zu einem System zusammenwachsen könnten.

Seite 1 / 1


Von ihrer „Steinzeit“ bis in die Hightech-Ära brauchte die Batterie weniger als 250 Jahre

Kurz notiert: Die Story eines Blitzstarters

Die Geschichte der Batterie reicht bis ins 18. Jahrhundert zurück. Schon der berühmte Benjamin Franklin machte 1748 erste Batterieexperimente mit der „Leidener Flasche“, der ältesten Bauform des Kondensators. Luigi Galvani und Alessandro Cont di Volta waren ebenfalls Pioniere der Elektrizität und leben heute in Begriffen wie galvanische Zelle beziehungsweise Volt als Maß der elektrischen Spannung fort. Galvani experimentierte mit Froschbeinen, die zu zucken begannen, sobald sie mit unterschiedlichen Metallen verbunden waren. Volta baute 1800 die erste Batterie mit Scheiben aus Kupfer und Zink. Mehr als 50 Jahre danach erfand der französische Physiker Gaston Planté die erste wiederaufl adbare Batterie: Der Bleiakkumulator, der auf dem System Blei-Schwefelsäure-Bleioxid beruht, wird heute noch verwendet.1899 entwickelte der Schwede Waldemar Jungner den deutlich leistungsfähigeren Nickel-Cadmium-Akku, der ab 1910 industriell gefertigt wurde. Bis in die 90er-Jahre war dieser Typ die meistgebrauchte wiederaufl adbare Batterie weltweit. Auch „Elektropapst“ Thomas A. Edison mischte mit und baute 1901 die erste Alkali-Batterie. In den frühen 60er-Jahren begann dann parallel die Entwicklung der Lithium-Systeme, da sie höhere Energiedichten aufweisen konnten und keine Schwermetalle enthielten. Aber erst 20 Jahre später, 1991, präsentierte Sony die erste Lithium-Ionen-Batterie, die heute das Maß der Dinge in der Welt der Stromspeicher ist. Auf ihrer Basis konnte General Motors 2008 das erste Serienauto mit einem Lithium-Ionen-Akku vorstellen. Inzwischen wird an weiteren Generationen der Lithium-Ionen-Batterie ebenso gearbeitet wie an den Nachfolgetypen, die auf Lithium-Schwefel beziehungsweise auf Lithium-Luft basieren. Ihre Energiedichte ist bis zu viermal höher als bei der Lithium-Ionen-Batterie.

Seite 1 / 1

Daten und Fakten I

Batterien werden immer leistungsfähiger

Blei-Säure und Nickel-Metallhydrid waren gestern, Lithium ist heute und morgen: Die Ein führung der Lithium-Ionen-Technologie hat den Weg geebnet zu ganz neuen Möglich-keiten bei der Energiespeicherung, die vor allem in Verbindung mit regenerativ erzeugtem Strom zukunftsweisend ist, weil damit die Umwelt nachhaltig entlastet werden kann. Ent scheidender Vorteil: Die Energiedichte (gemessen in Wattstunden pro Kilogramm, Wh/kg) bei den Lithium-Systemen ist deutlich höher. Das gilt umso mehr für die so-genannten Lithium-Batterien der 4. Generation, bei denen Schwefel oder der Sauerstoff aus der Luft Reaktionspartner des Leichtmetalls sind.


Je höher die spezifi sche Energie (Energiedichte), desto größer die Reichweite – je höher die spezifi sche Leistung, desto höher das DrehmomentDie Entwicklungsschritte der Batterie im „Spannungsfeld“ zwischen spezifi scher Energie und spezifi scher Leistung:vom Bleiakku bis zur Lithium-Luft-Batterie der Zukunft (in Wattstunden pro Kilogramm bzw. in Watt pro Kilogramm)

Wh/kg: Spezifi sche Energie (Energiedichte) in Wattstunden pro Kilogramm W/Kg: Spezifi sche Leistung in Watt pro Kilogramm

In der bereits begonnenen Entwicklung zum automobilen Einsatz hat die Lithium-Ionen-Batterie die klassischen Wettbewerber bereits deutlich abgehängt und erreicht in der Energiedichte heute etwa 100 Wh/kg. Die nächsten Generationen sollen diesen Wert nochmals nahezu verdoppeln. Weitere Sprünge bringt dann die Umstellung auf neue Reaktionspartner für Lithium. Künftige Lithium-Luft-Batterien könnten den Bleiakku in Sachen Energiedichte um den Faktor 30 übertreffen. Im Drehmoment ist die Lithium-Ionen-Batterie sogar ihren „Schwester-systemen“ voraus.

Batterien von Blei bis Lithium-Ionen

Lithium-Ionen

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200100

101

102

103

104

105W/Kg

Wh/kg

Blei-Säure

Nickel-Cadmium

Nickel-Metallhydrid

Die nächsten Generationen

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

100

101

102

103

104

105W/Kg

Lithium-Ionen Lithium-Schwefel Lithium-Luft

Wh/kg

Quelle: BASF

Seite 1 / 1

Auf die Zelle und den Inhalt kommt es an:Bei der Li-Tec Battery GmbH im sächsischen Kamenz, einem Gemeinschaftsunternehmen der Evonik Industries AG und der Daimler AG, entstehen schon heute Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität von morgen. Herzstück der Zellen sind High-Performance-Elektroden und ein keramischer Separator, gefertigt von der EvonikLitarion GmbH. Diese maßgeschneiderte Kombination aus chemischen Schlüsselkomponenten ist die Basis fürgroßformatige Energiespeichersysteme, die besondere Eigenschaften in den Bereichen Sicherheit, Performanceund Lang lebigkeit aufweisen. Ausgangspunkt für die Batterieproduktion in Kamenz sind dann die einzelnen Zellen, die auf einer weltweit einzigartigen Technologie beruhen, einer speziellen Kombination von Keramik-materialien und hochmolekularen Ionenleitern. Bis zu 120 dieser Zellen werden elektrisch leitend verbunden und bilden die Batterie. 2011 wird bereits eine hohe Anzahl dieser Zellen gefertigt, Voraussetzung dafür ist einer der größten Trockenräume Europas. Ab 2012 sollen die Batterien aus Kamenz dann serienmäßig den E-Smart ins Rollen bringen. Li-Tec hat sich gemeinsam mit den Großkonzernen Evonik, BASF, Bosch und VW verpfl ichtet, in den nächsten Jahren 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung für die Lithium-Ionen-Technologie im Rahmen der Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“ zu investieren.

Foto

: Sve

n D

örin

g/A

gent

ur F

ocus


Seite 1 / 2


Daten und Fakten II

Steckt ein Schaukelstuhl in Lithium-Ionen-Batterien?

In Handys oder Digitalkameras sind sie längst Teil unseres Alltags geworden: Lithium-Ionen-Akkus. Ihr Vorteil: Bei geringerem Gewicht liefern sie erheblich mehr Energie als bisher eingesetzte Batterietypen. Doch die Anforderungen für die Anwendungen im Auto sind wesentlich höher. Es war ein langer Weg, bis die heutige Leistungsfähigkeit in puncto Energiedichte von über 100 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) autotauglich erreicht werden konnte; damit können Elektro-Kleinwagen auch bei einem moderaten Batterie-Gesamtgewicht rund 200 Kilometer weit fahren.

Seite 2 / 2


Das steckt in einer Lithium-Ionen-BatteriezelleDas steckt in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle

Positive Elektrode

NegativeElektrode

Separator

LegendeNegative Elektrode mit Grafi t als Haupt-bestandteil auf einemKupferableiter (Anode)

Positive Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid auf einem Aluminium-Ableiter (Kathode)

Lithium-Ionen

Sauerstoff

Entladung

Ladung

DER AKKUMULATOR ist aus zahlreichen seriell und parallel zueinander angeordneten Zellen aufgebaut. So lassen sich für die spezifi sche Fahrzeuganwendung wie vollelektrisches (EV) oder Hybrid-Fahrzeug (HEV) der erforderliche Energieinhalt und die elektrische Leistung anpassen. Das Gesamtsystem verfügt über Plus- und Minuspol zum Anschluss des Elektromotors oder zum direkten Aufl aden des Akkus am Stromnetz – wofür beim HEV auch die sogenannte Plug-in-Variante PHEV steht.

DIE ZELLE kann rund ausgeführt sein wie beim Laptop – ist dabei aber deutlich größer – oder prismatisch – im festen Gehäuse oder in sogenannter Coffeebag-Verpackung. Je nach Energieinhalt weisen solche Zellen beispielsweise eine Grundfl äche etwa so groß wie eine DIN-A4-Seite auf und bestehen aus den vier chemischen Schlüsselkomponenten: Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator. Beim Entladen wie beim Laden bewegen sich die Lithium-Ionen im Elektrolyten, der aus einer gut ionenleitenden Lösemittelformulierung besteht, zwischen den Polen: Strom fl ießt. Chemische Energie wird in elektrische Energie umgesetzt und umgekehrt. Diese Wanderbewegungen der Ladungsträger vollziehen sich gewissermaßen nach dem „Schaukelstuhlprinzip“.

DER SEPARATOR trennt die negative Elektrode (Anode), die aus einer komplexen Rezeptur beispielsweise auf der Basis von Grafi t (Kohlenstoff) auf einer Kupferfolie besteht, von der positiven Elektrode (Kathode), die beispielsweise aus einer Lithium-Metalloxid-Formulierung auf einem Aluminiumträger zusammengesetzt ist. Auch wenn der Separator stets zuverlässig Plus- und Minuspol trennen muss, ist er auch durchlässig für die Ladungsträger – die Lithium-Ionen. Herkömmliche Separatoren bestehen in der Regel aus Kunststofffolien. Dank einer chemischen Innovation geht es aber auch anders. Das Besondere dabei: Der Separator ist nurhalb so dick wie ein menschliches Haar und besteht aus vollständig anorganisch gebundener Keramik, dabei ist er hochporös und fl exibel. So kann er seiner Aufgabe auch im Falle von elektrischen Kurzschlüssen und bei Überhitzung sicher nachkommen.

Akkumulator

Zelle

Quelle: VCI

Seite 1 / 3


Ein Unternehmen in Frankfurt am Main ist der weltweit größte Hersteller von Lithiumprodukten

Wie kommt das Lithium in die Batterie?Und wie kommt es wieder heraus?

Die Experten der Chemetall wissen nicht nur alles über die Aufbereitung der Lithium-Rohstoffe für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien und ihre Verarbeitung zu kundenspezifi schen Qualitäten, sondern auch vieles über ihr Recycling. Mehr als 50 Prozent sollen aus Lithium-Ionen-Batterien rückgewonnen werden können.

Chemische Verbindungen des Leichtmetalls Lithium, vor allem Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid, sind die wichtigsten Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien. Diese Akkumulatoren sollen jetzt auch das Auto elektromobil machen, nachdem sie bereits ihren Siegeszug bei Handys, Laptops und Digitalkameras angetreten haben. Zur Rohstoffgewinnung des Alkalimetalls gibt es zwei technische Verfahren, die auf unterschiedlichen Ausgangsmaterialien beruhen: Zum einen kommt Lithium in Mineralien wie Spodumen vor, in dem Lithiumoxid in einer Konzentration zwischen ein und sieben Prozent enthalten ist. Spodumen wird im Tage- und Untertagebergbau gefördert und in mehreren Prozessschritten zu Lithiumcarbonat umgewandelt. Zum anderen wird es aus Salzlaugen gewonnen. Hier fi ndet es sich als Lithiumchlorid mit zahlreichen anderen Salzen in Konzentrationen von 100 bis 1600 parts per million (ppm).

Die Chemetall mit Sitz in Frankfurt am Main ist der weltweit größte Hersteller von Lithium-produkten und verfügt über eigene Produktionsanlagen in der Atacama-Wüste in Chile (Salar de Atacama) und den USA (Nevada). Diese Regionen bieten mit ihrem extrem trockenen Klima sehr gute Voraussetzungen für die Gewinnung von Lithium aus Salzlaugen. Dazu wird die salzhaltige Lauge aus der Tiefe der meist ausgetrockneten Salzseen an die Oberfl äche gepumpt. In einer Kaskade von aufeinander abgestimmten Teichsystemen wird das Lithium konzentriert und Verunreinigungen wie Natrium-, Kalium-, Calcium- und Magnesium-Salze abgetrennt. Diese Art zur Herstellung von Lithiumsalzen ist besonders umweltfreundlich, weil bei der Verdunstung nahezu keine zusätzliche Energie außer der Kraft der Sonne benötigt wird. Die so gewonnene sechsprozentige Lithium-Salzlauge wird dann in Produktionsanlagen der Chemetall zu den Endprodukten Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid und Lithiumchlorid weiterverarbeitet. „In Langelsheim im Harz werden

Seite 2 / 3


die Salze gereinigt und das Lithiumcarbonat in alle anderen benötigten Verbindungen umgesetzt. Zudem stellen wir dort ein innovatives Leitsalz aus eigener Entwicklung her, das die Hochtemperaturstabilität, Sicherheit und Langlebigkeit von Speicherzellen verbessert“, erklärt Thomas Krause, Marketing-Leiter der Chemetall im Geschäftsfeld Lithium. Das Unternehmen verfügt auch über das größte Spodumenvorkommen in Nordamerika, das aber aufgrund der besseren Produktionsbedingungen in Chile und Nevada derzeit nicht abgebaut wird.

Lithium-Mangel wird es keinen gebenGerade vor dem Hintergrund des hohen Bedarfs an großvolumigen Batterien für Elektrofahrzeuge wurden schon Zweifel angemeldet, ob Lithium in der benötigten Menge zur Verfügung steht. Doch diese Bedenken kann man zerstreuen: Die Vorkommen sind auf verschiedene Regionen verteilt. Außerdem wird gegenwärtig eine Vielzahl neuer Vorkommen erforscht, sodass die verfügbaren Reserven nach oben korrigiert werden müssen. Nimmt man für Elektrofahrzeuge einen Anteil von drei bis zehn Prozent am Gesamtabsatz von Kraftfahrzeugen im Jahr 2020 an, ergibt sich gemäß einer Berechnung der Chemetall aus dem Jahr 2009 je nach Rechenmodell ein Mehrbedarf an Lithium -carbonat-Äquivalenten (LCE) in einer Spanne zwischen 5000 und 60 000 Tonnen. Entscheidend ist, ob sich eher Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge durchsetzen, die unterschiedliche Mengen des Rohstoffs erfordern. Allein die Ressource, die Chemetall in der Atacama-Wüste nutzt, würde den weltweiten Bedarf über 200 Jahre abdecken – ohne dabei alle sonstigen weltweiten Vorkommen zu berücksichtigen.

Die weltweit bekannten und ausbeutbaren Vorkommen belaufen sich auf über 28 Millionen Tonnen Lithium, was rund 150 Millionen Tonnen Lithiumcarbonat entspricht. Bei einem derzeitigen Verbrauch (etwa 23 000 Tonnen Lithium) reichen diese Mengen über 1200 Jahre. „Ein weiteres gewichtiges Argument gegen den vermeintlichen Lithium-Mangel ist das Recycling, für das wir noch in diesem Jahr eine Pilotanlage in Betrieb nehmen werden“, so Krause. Lithium wird in entsprechenden Batterien nicht verbraucht und kann deshalb nach dem Lebensende des Stromspeichers wieder verwendet werden. „Aus dem Recycling erwarten wir eine Rückführung in die Batterieproduktion in einer Größenordnung von weit über 50 Prozent“, betont Krause.

Seite 3 / 3


Wo Akkus in Würde altern könnenDie Aktivitäten sind Bestandteil des umfassenden Recyclingvorhabens „LithoRec“, das mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert wird. An diesem Verbundprojekt sind zehn Industriepartner und sechs Hochschulinstitute beteiligt. Die Koordination liegt beim Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik (NFF). Da in zahlreichen Antriebskonzepten auf Lithium-Ionen-Batterien gesetzt wird, ist in naher Zukunft mit einer starken Zunahme der Zahl gealterter Speicher zu rechnen, die einer stoffl ichen oder energetischen Verwertung zugeführt werden müssen. Zwar existieren bereits etablierte Verwertungsnetzwerke für Batterien, die in der Unterhaltungselektronik, Handys und weiteren Kleinanwendungen im Einsatz waren. Doch diese unterscheiden sich grundlegend von Strukturen, die für Batterien aus Elektrofahrzeugen erforderlich sind und neben den Schwermetallen auch das Lithium im Blick haben.

Seite 1 / 1

Reine Chemie:In Langelsheim (Harz) steht das größte und vielseitigste Werk der Chemetall-Gruppe. Dort erfolgt auch dieReinigung und Produktion der zur Batterieherstellung benötigten hochreinen Lithiumsalze, für die das Unternehmen derzeit eine neue Anlage im Probelauf einfährt. In Edelstahlbehältern, bei denen ein Mitarbeiter hier gerade das Rührwerk kontrolliert, erfolgt der Trocknungsprozess. Schon 1924 wurde in Langelsheim die erste industrielle Erzeugung von Lithiumverbindungen weltweit begonnen. In Zukunft wird hier auch das Recycling von Lithium aus den verbrauchten Batterien stattfi nden. Eine entsprechende Pilotanlage soll noch in diesem Jahr in Betrieb gehen, ihr Aufbau wurde mit Mitteln des Bundesumweltministeriums gefördert. Aus dem Recycling wird eine Rückführung der ursprünglich eingesetzten Stoffe in die Batterieproduktion von mindestens 50 Prozent erwartet.

Foto

: VC

I/Wol

fram

Sch

roll/

foto

glor

ia


Seite 1 / 2


Kunststoffe erziehen Autos dazu, ihre Abwärme zu verwerten. Der Gewinn für die Umwelt: weniger Kohlendioxid-Emissionen pro gefahrenen Kilometer

Ist Ihr Auto richtig angezogen?

Wussten Sie schon, was das Wärmemanagement im Automobil bedeutet? Unter diesem Stichwort verbergen sich Kohlendioxid-sparende Maßnahmen wie die thermische Kapselung des Motorraums, das Umwandeln der Abgashitze – oder schaltbare Pigmente in Frontscheibe und Sitzen, um Sonnenstrahlen zu refl ektieren.

Nur ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, bringt ein Automobil wirklich voran. Der große Rest geht als Motorabwärme verloren. Da liegt die Idee nahe, mit dieser ungenutzten Energie etwas Sinnvolles anzufangen. Verschiedene Überlegungen werden unter dem Begriff Wärmemanagement gebündelt. Eine davon ist die thermische Kapselung aus dem leichten Kunststoff Polyurethan, die eine ganze Reihe von Vorteilen bringt. Die Idee dabei ist, die einmal erzeugte Wärme möglichst lange im Motorraum aufrecht-zuerhalten. So erreicht der Motor dank seines Polymermantels deutlich schneller seine Betriebstemperatur – es sind weniger Kaltstarts notwendig. Auf diese Weise sinken auch die Kohlendioxid-Emissionen um sechs bis neun Gramm pro Kilometer. Die Kapselung gegen den Wärmeverlust dient zugleich auch der Schallisolation – der Lärm des Motors wird wirkungsvoll gedämpft durch seine Kunststoffhaube.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist der Einsatz eines Latentwärmespeichers, häufi g auch TESS genannt (Thermal Energy Storage System). Der Speicher nimmt über ein Phasenwechselmaterial (PCM) die Wärme des Abgasstranges auf und stellt sie gezielt verschiedenen Komponenten im Automobil zur Verfügung. Das PCM ist eine salzartige Substanz, die bei Raumtemperatur fest ist und durch Wärmezufuhr fl üssig wird – durch diesen Schmelzvorgang kann viel Energie gespeichert werden. Über ein Leitungssystem mit Wärmetauschern kann diese Energie bei Bedarf wieder genutzt werden. Das verringert die Kaltstart-Emissionen und den Kraftstoffverbrauch gerade in der kalten Jahreszeit. Bei Elektrofahrzeugen verlängert das System die Reichweite der Batterie, weil die Heizung ohne Belastung des Stromspeichers arbeiten kann. Zudem erhöht es den Komfort bei der schnellen Innenraumheizung, beim Enteisen der Scheiben und bei einer quasi emissionsfreien Standheizung. Neuentwicklungen der Chemie bei den PCM erlauben eine hohe Energiespeicherdichte bei gleichzeitig geringem Bauraumvolumen.

Seite 2 / 2


Ein neues Konzept, die Abwärme des Motors noch effektiver zu verwerten, ist die Nutzung des thermoelektrischen Effekts, den der deutsch-baltische Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt hat. Ähnlich wie bei der Photovoltaik Licht direkt in Strom umgewandelt werden kann, dient hier eine Temperaturdifferenz dazu, unmittelbar Elektrizität zu erzeugen. Die wichtigste Anwendung hierfür ist das Umwandeln der Hitze des Abgases in nutzbare Energie. Dazu forscht die Chemie intensiv an thermoelektrischen Materialien, die einen möglichst guten Wirkungsgrad aufweisen. Eine weitere Herausforderung für Forschung und Entwicklung besteht darin, thermoelektrische Materialien weiter zu verbessern und neue Anwendungsmöglichkeiten in Serienbauteilen im Motor zu fi nden. Denkbar ist unter anderem der Einbau eines thermoelektrischen Generators (TEG) im Unterboden. Das Potenzial solcher Lösungen liegt bei einem Wirkungsgrad von über zehn Prozent, d. h. ein Zehntel der vorhandenen Wärme wird in Strom umgewandelt. Im Ergebnis könnte der Beitrag der Thermoelektrik bis zu drei Gramm Kohlendioxid-Ersparnis pro gefahrenen Kilometer betragen. Für die Zukunft ist eine Integration des TEG in den Hauptabgasstrang noch attraktiver – wenn auch mit hohem konstruktivem Aufwand verbunden. Aufgrund der höheren Massenströme ließe sich hier deutlich mehr Strom bis zu Leistungen von 1000 Watt gewinnen.

Sunblocker für die WindschutzscheibeWie die Abwärme des Motors ist auch die Sonneneinstrahlung im Sommer und das daraus resultierende Aufheizen des Fahrzeuginneren ein Problem, das Energie beziehungsweise Reichweite kostet. Denn die Klimaanlage benötigt Energie – in Form von Kraftstoff oder Batteriestrom. Deshalb ist ein Wärmemanagement bei Autos mit Verbrennungsmotor oder mit Elektroantrieb von großer Bedeutung. Mit verschiedenen Maßnahmen soll es gelingen, die Wärmestrahlung der Sonne zu blockieren. Dazu zählen neuartige Pigmente im Lack für die Außenhaut des Automobils; aber auch für das Interieur, also zum Beispiel bei Sitzen, die mit schwarzem Leder bezogen sind. Im Gegensatz zu bisherigen Rußpigmenten –sozusagen das Standardschwarz – refl ektieren sie einen Großteil der unsichtbaren Nah-infrarotstrahlung, die immerhin 50 Prozent der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie ausmachen. In Zukunft wird es auch spezielle Beschichtungen für Automobilscheiben geben, die das sichtbare Licht durchlassen, aber die Infrarot-Wärmestrahlung rückstrahlen. Zudem arbeitet die Chemie an besonders effektiven Kunststoffschäumen, die auch in vergleichsweise dünnen Schichten eine hohe isolierende Wirkung haben.

Seite 1 / 2


Autos müssen leichter werden – Werkstoffe der Chemie bieten dazu eine Vielfalt von Möglichkeiten an

Ist ihr Auto schon ausgehärtet?

Für einen Automobilbau, der Ressourcen und die Umwelt schont, bieten sich neuartige Kunststoffe oder Multi-Material-Konzepte an. Damit verändern sich auch die Produktionsweisen radikal. Die Strukturbauteile werden nicht mehr gepresst, sondern fl üssig in Formteile eingebracht und ausgehärtet.

Über zehn Millionen Tonnen Kunststoffe wurden 2009 in Deutschland verarbeitet – nahezu jede zehnte Tonne davon wandert in den Fahrzeugbereich. Gegenwärtig liegt der Kunststoffanteil im Auto bereits bei bis zu 15 Prozent; im neuen 7er BMW bestehen so beispielsweise 372 von 1899 Kilogramm aus Chemiewerkstoffen (19,6 Prozent). Und ganz unabhängig davon, ob das Auto der Zukunft ein Verbrennungs- oder Elektromotor, eine Hybridlösung aus beiden Komponenten oder eine Brennstoffzelle antreibt, eins ist gewiss: Der Anteil der Chemiewerkstoffe im Automobil wird weiter steigen, weil sie gegenüber allen Metallen einen unschlagbaren Vorteil haben: Sie „boxen in den Leichtgewichtsklassen“. Und die Leichtigkeit des Automobils ist in jedem Fall gefragt, entweder um den Spritdurst und damit die Kohlendioxid-Emissionen zu senken oder um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Keine Frage: Die Weiterentwicklung von Leichtbauwerkstoffen, wie sie intensiv von der deutschen Chemie betrieben wird, birgt erhebliches Potenzial für weitere Energieeinsparungen. Als Faustregel gilt: Das Verringern des Karosseriegewichts durch Leichtbau um fünf Prozent spart rund drei Prozent Energie.

Bei diesem Leichtbau aus dem Chemielabor geht es nicht nur um das Bereitstellen von neuartigen Kunststoffen und polymerbasierten Faserverbundwerkstoffen, sondern auch um innovative Materialverbünde, um einen Mix von metallischen, polymeren und sogar keramischen Materialien. Für Fachleute steht längst fest, dass künftig die Möglichkeiten zum Verarbeiten komplexer Materialsysteme und Compositematerialien deutlich an Bedeutung gewinnen werden. Die Chemie wird in jedem Fall entscheidende Beiträge zur Entwicklung von Multi-Material-Konzepten und gezielt einstellbarer Werkstoffsysteme für Elektrofahrzeuge ebenso wie für den Elektroantrieb und elektrische Aggregate leisten.

Seite 2 / 2


Das Prinzip PuddingformDabei geht es auch um Strukturbauteile – sozusagen die Champions League im Automobilbau. Dafür stehen neuartige Verbundwerkstoffe auf Basis endloser Glas- oder Carbonfasern zur Verfügung, die im sogenannten Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) produziert werden. Dabei werden mehrlagige Fasergelege in ein beheiztes Werkzeug eingebracht, das sich in einer Presse befi ndet. Anschließend wird die Form geschlossen und unter Druck ein fl üssiges Kunstharz in die Form injiziert, das die Fasern vollständig benetzt und danach kontrolliert aushärtet. Bauteile mit hoher mechanischer Beanspruchung wie im Chassis benötigen Fasergehalte von etwa 50 Prozent. Grundsätzlich lassen sich die Materialverbünde mit Harzen aus Epoxid ebenso herstellen wie mit Polyurethanen.

Eine andere neue Entwicklung setzt auf Bleche – nur nicht aus Metall. Diese sogenannten Organobleche bestehen aus dünnen Platten von faserverstärkten Kunststoffen, die ähnlich wie Metallplatten in Form gepresst werden. Wenn man diese Bauteile mit Polyamid-Rippen und -Verstrebungen versieht, erhält man ähnliche Bauteile wie bei einer Kombination aus Metall und Kunststoff (Hybride) – nur nochmals deutlich leichter. Gerade Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe – CFK) stehen vor einer großen Zukunft, denn sie sind 40 Prozent leichter als Aluminium und 80 Prozent leichter als Stahl – und weisen eine fünfmal höhere Festigkeit sowie eine dreimal höhere Steifi gkeit auf. „Unser Joint Venture mit der BMW Group ist ein Meilenstein für den Einsatz von Carbonfasern im industriellen Maßstab in der Automobilindustrie. Carbonfasern übernehmen damit erstmals eine bedeutende Rolle in der automobilen Serienproduktion“, betont Robert Koehler, Vorstandsvorsitzender der SGL Group. „Als Schlüsseltechnologie für den Megatrend Materialsubstitution werden Carbonfasern und Composites zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor für den Wirtschaftsstandort Deutschland“, ergänzt der Firmenchef von SGL Carbon.

Seite 1 / 2


Wer in Zukunft aufregende Autos gestaltet, setzt auf Hightech-Kunststoffe

Fliegt uns noch das Blech weg?

Leichtbau ist einer der zentralen Techniktrends im Automobilbau. Vor allem Carbon spielt dabei eine entscheidende Rolle. Wie dieses Wundermaterial und andere Verbundwerk-stoffe das Karosserie-Design sowie die Autokonstruktion radikal verändern werden und zu einem viel größeren Materialmix führen, erklärt Design-Professor Paolo Tumminelli.

Die drei Buchstaben CFK, das Kürzel für den Begriff Kohlenstofffaserverstärkte Kunst-stoffe, haben eine fast schon magische Wirkung in der Automobilindustrie. Denn die Autos der Zukunft werden Leichtbau-Fahrzeuge sein. Das ist umso notwendiger, je stärker die Elektrifi zierung des Antriebs voranschreitet. Starke Elektromotoren benötigen nämlich leistungsfähige Stromspeicher – und die sind nun mal schwer. Um das Gesamtgewicht des Fahrzeugs dennoch möglichst gering zu halten, sind daher Leichtbau-Karosserien ideal.

Aber nicht nur aus diesem Grund. Der Einsatz von CFK-Bauteilen, die leichter und zugleich fester sind als Stahlbleche, beschert auch Entwicklern und Designern völlig neue Freiheiten. „Durch Hightech-Kunststoffe wird im Prinzip alles möglich im Automobilbau“, sagt Paolo Tumminelli, Design-Professor in Köln und Gründer der Marken- und Designberatung goodbrands in Düsseldorf. Wer in Zukunft auf intelligente Weise Autos bauen wolle, werde deshalb verstärkt auf Hightech-Kunststoffe setzen. Die lassen sich in nahezu jede beliebige Form bringen: Die Herstellung komplexer Flächen, engster Radien oder bionischer, dreidimensionaler Strukturen sei kein Problem mehr. Die Festigkeit und Crash-Sicherheit von CFK stehe ohnehin außer Frage.

CFK-Bauteile kommen nicht nur im Flugzeug-, sondern auch im Autobau immer öfter zum Einsatz. Der X-Bow von KTM etwa ist ein für den Straßenverkehr zugelassener Sportwagen mit reinrassiger Rennsport-Technologie. Dazu gehört ein avantgardistisches Monocoque aus Kunststoff. Mit einem Gewicht von nur rund 790 Kilo beschleunigt er in unter vier Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 km/h. Dabei liegen Kraftstoffverbrauch und Schadstoff-Emissionen auf dem Niveau gut motorisierter Kleinwagen. Struktur und Karosserie des für das Jahr 2013 angekündigten Elektro-Stadtautos i3 von BMW sollen ebenfalls komplett aus CFK-Werkstoffen gefertigt sein – ein Novum in der Branche.

Seite 2 / 2


„Diese Leichtbau-Kunststoffe werden die Zukunft des Automobilbaus mitprägen – und die Industrie zugleich zu ihren Wurzeln zurückführen“, sagt Tumminelli. Denn ähnlich wie in den Anfangsjahren des Automobils, als spezialisierte Handwerker für ihre Kunden maßgeschneiderte Karosserien entwarfen, die über Fahrgestelle und Motoren der Pkw-Hersteller gestülpt wurden, so könnte in Zukunft eine sehr leichte und beinahe beliebig gestaltete Autoform über das technische Grundgerüst gefügt werden.

Unter den Autos steigt die ArtenvielfaltDie Herausforderung für die jüngere Zukunft: CFK-Bauteile automatisiert verarbeiten und herstellen. Daran wird fi eberhaft gearbeitet. Der Clou der Leichtbautechnik und der Schlüssel zur Gewichtsersparnis aber ist die Fahrzeugstruktur selbst. „Durch neue Materialien können Bauteile, die bislang die Struktur belastet haben – also beispielsweise die Batterien von Elektroautos – zu Bestandteilen der Struktur werden, indem sie von Anfang an integriert werden“, sagt Tumminelli. Neue Materialien ermöglichen in Kombination mit traditionellen Werkstoffen neue Möglichkeiten in der Fahrzeugkonstruktion: Autos ohne A-Säule zum Bei spiel oder Klappen und Türen, die nicht mehr konventionell angeschlagen sind, sondern nach oben wegschwenken oder wie Schiebetüren in der Karosserie verschwinden. „Ob das dann jeweils ästhetisch sinnvoll und von den Kunden gewollt ist, müsste noch geklärt werden. Doch die neue Freiheit für die Designer, überhaupt so etwas zu entwerfen, weil es sich erstmals auch industriell umsetzen lässt, ist fantastisch.“

Noch allerdings ist das Zukunftsmusik. Denn das Thema Leichtbau ist bei modernen Automobilen erst ansatzweise visuell erkennbar. „Das wird sich noch radikal ändern, denn die Möglichkeiten, die Leichtbau-Kunststoffe bieten, sind einfach zu verlockend. Vieles, was aus Metall extrem teuer oder aber gar nicht machbar wäre, ist mit Kunststoff beinahe ein Kinderspiel.“

Und so manches ist bereits Realität: Ein ohnehin schon leichter Lotus-Sportwagen hat mit Hochleistungskunststoffen von Evonik nochmals an Gewicht verloren: So speckt dieser Lotus durch Leichtbau zum Beispiel an der Karosserie, bei den Seitenscheiben und den Ladeluftrohren nochmals ab. Insgesamt sank sein Gewicht so von 935 Kilogramm auf 863 Kilogramm.

Seite 1 / 3


LIB 2015 koordiniert 60 Partner aus Industrie und Wissenschaft

Deutschland schon auf der Überholspur?

Unter Hochdruck werden Allianzen geschmiedet, um Deutschland zum Leitmarkt und Leitanbieter für E-Mobilität zu machen. 2015 soll ein wichtiger Meilenstein erreicht sein. Die Partner sind überzeugt: Bei den großen Lithium-Ionen-Akkus für das E-Fahrzeug gibt es echte Chancen, um im Rennen gegen Japan, China und Korea ganz vorne mithalten zu können.

Die „Elektrifizierung des Automobils“ in Deutschland hat deutlich Fahrt aufgenommen, wie der „Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität “ von 2009 und die „Nationale Plattform Elektromobilität (NPE)“ seit 2010 belegen. Damit ist der politische Willen eindeutig formuliert, beteiligt sind gleich vier Bundesministerien (Wirtschaft, Verkehr, Umwelt Forschung): Deutschland soll zum Leitmarkt und Leitanbieter in diesem Bereich werden. Die deutsche chemische Industrie nimmt eine zentrale Stellung hierbei ein. Allen Beteiligten ist bewusst, dass der Speicher für elektrische Energie das dominierende Thema für zukünftige Elektroautos darstellt. Hierfür liefert die Chemie mit Separatoren, Elektroden, Elektrolyten sowie Anoden- und Kathodenmaterialien entscheidende Beiträge, ohne die ein autotaugliches Gesamtsystem Batterie nicht realisiert werden könnte.

„Das Herzstück der Elektromobilität sind sicherlich die Batterien und deren Komponenten und Materialien“, bestätigt Professor Dr. Martin Winter, Sprecher der Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“. Schon Ende 2007 wurde diese Allianz mit über 60 Partnern aus Industrie und Wissenschaft auf Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gegründet. Ein Industriekonsortium, in dem auch eine Reihe von Chemie-unternehmen vertreten ist, hat sich verpflichtet, insgesamt 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie zu investieren, darüber hinaus steuert das BMBF 60 Millionen Euro als Fördermittel bei. Wie die Namensgebung schon zeigt, soll ein wichtiger Meilenstein für künftige Batteriegenerationen schon 2015 erreicht sein.

Die Aktivitäten der Allianz umfassen die gesamte Wertschöpfungskette – von der Materialforschung und Elektrochemie über Aspekte der Rohstoffverfügbarkeit und des Recyclings, über das Batteriemanagement bis hin zu geeigneten Herstellungsverfahren und

Seite 2 / 3


zur Systemintegration sowie zu Bestrebungen bei Standardisierung und Normung. Auch wichtige Wirtschaftsverbände wie der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW), der Verband der Automobilindustrie (VDA), der Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie (ZVEI), der Verband der Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik (VDE) und der Verband der Chemischen Industrie (VCI) haben sich zu ihrer Verantwortung bekannt und unterstützen die breit angelegte Initiative mit ihrer Kompetenz. Daneben bleibt das bereits erfolgreich gestartete „Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ als komplementärer Pfad bestehen.

Die Roadmap der NPEDie NPE koordiniert existierende Netzwerke aus Forschung und Industrie und gibt Empfehlungen zur Förderung vorwettbewerblicher Forschung und anwendungsnaher Projekte. Sieben Arbeitsgruppen erstellen Technologie-Roadmaps und leiten daraus Handlungsempfehlungen für die Politik ab. So soll erreicht werden, dass 2020 eine Million Elektrofahrzeuge – vornehmlich aus deutscher Produktion – auf Deutschlands Straßen unterwegs sind. Die chemische Industrie ist in den Arbeitsgruppen der NPE ebenfalls gut vertreten und trägt so zur Entwicklung der Elektromobilität wesentlich bei.

Viele klangvolle Namen aus der deutschen Industrie sind an den vielen Netzwerken in Sachen Elektromobilität beteiligt: Automobilhersteller und Energieversorger an Flottenversuchen, Elektro-, Informations- und Verkehrsunternehmen bei der Netzintegration, insbesondere Chemieunternehmen beim Thema Batterie und Leichtbau – um nur einige Beispiele herauszugreifen. Zudem sind insgesamt acht Modellregionen Elektromobilität benannt, die von Hamburg im Norden bis nach München im Süden reichen, Rhein-Ruhr ebenso einschließen wie Rhein-Main und die sächsische Zentralregion zwischen Leipzig und Dresden. Bestens eingebunden sind Wissenschaftsorganisationen wie die Helmholtz-Gemeinschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft, die mit 33 Instituten an 22 Standorten quer durch die Bundesrepublik das Verbundprojekt Systemforschung Elektromobilität betreibt. Darüber hinaus gibt es eine Bündelung der chemischen Kompetenz im „Verbund Nord und Süd der Initiative Elektrochemie für Elektromobilität“, in denen Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen sind. Geführt werden sie im Norden vom Forschungszentrum Jülich, im Süden vom Karlsruher Institut für Technologie. Ziel beider

Seite 3 / 3


Verbünde ist es, dass Deutschland im Bereich der Elektrochemie möglichst rasch ein neues internationales Spitzenniveau erreicht. Ausgewählt wurden vor allem Standorte, die hier bereits über einschlägige Kompetenz verfügen. „Es ging darum, Stärken zu stärken“, betont Bundesforschungsministerin Professor Dr. Annette Schavan.

Die Wissenschaftler arbeiten intensiv an der Entwicklung neuer Batteriematerialien, die Zellen mit erhöhter Energie- und Leistungsdichte liefern können. Zuverlässigkeit, Zyklenstabilität und die schnelle Be- und Entladung spielen dabei eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu kleinen Lithium-Ionen-Batterien, deren Produktion zu 90 Prozent in Japan, China und Korea erfolgt, ist bei großen Akkumulatoren für Elektrofahrzeuge der Wettbewerb noch offen. So gibt es entscheidende Unterschiede in den Anforderungen an die Technologie für Lithium-Ionen-Großzellen, die auf einer deutlich anspruchsvolleren Chemie basieren. Deshalb bündelt Deutschland seine Kräfte in einer Vielzahl von Netzwerken, die die verschiedenen Aspekte der Batterietechnologie auch der nächsten Generationen abarbeiten. Auch der Fonds der Chemischen Industrie, das Förderwerk der Branche, unterstützt beispielsweise Elektrochemie-Lehrstühle in Deutschland.

Seite 1 / 1


Modellregionen Elektromobilität

Deutschland macht elektromobil!

Bis 2020 will die Bundesregierung Deutschland zum Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität machen. Mit insgesamt 500 Millionen Euro, Mitteln aus dem Konjunktur-paket II, werden seit 2009 Forschung und Entwicklung sowie die Marktvorbereitung der neuen Antriebstechnologie im Rahmen des „Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität“ vorangetrieben. Bis Ende 2011 läuft das Projekt „Modellregionen Elektromobilität“: In acht Modellregionen werden darin gezielt Konzepte zur Einführung von Elektromobilität vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung mit 130 Millionen Euro gefördert. Alle Aspekte der Elektromobilität werden je nach Profi l der Region mit unterschiedlichen Projekten im öffentlichen Raum umgesetzt und getestet – von der Prototypenentwicklung über den öffentlichen Personennahverkehr bis hin zur Infrastruktur. In den Modellregionen arbeiten Akteure aus Wissenschaft, Industrie und den Kommunen eng zusammen.

Die Modellregionen im Überblick

Quelle: Die 8 Modellregionen Elektromobilität Bundesministerium für Verkehr, Bau und Städteplanung

1. Modellregion Hamburg: Die „European Green Capital 2011“ will ihren CO2-Ausstoß bis 2020 um 40 Prozent verringern, auch mit Hilfe eines Entwicklungsplans E-Mobilität

2. Modellregion Bremen/Oldenburg: Die Anbindung von E-Mobilität an bestehende Mobilitätsangebote ist ein Schwerpunkt – bei vielen Pend-lern aus einem ländlichem Umfeld

3. Modellregion Rhein-Ruhr: Das Projekt kann auf eine optimale Forschungs-, Industrie- und Sied-lungsstruktur zurückgreifen. Landes- programme begleiten das Projekt

4. Modellregion Rhein-Main: An einer der wichtigsten internationalen Verkehrsdrehscheiben wird ein aus drei Modulen bestehendes Konzept umgesetzt – darunter am Flughafen

5. Modellregion Berlin/Potsdam: Belange von Tourismus, Städte-planung, City-Logistik, Klimaschutz und Wissenschaft spielen bei den Projekten der Metropolregion eine Rolle

6. Modellregion Sachsen: Hier gilt auch das wirtschaftspolitische Ziel, die Region als Standort für die E-Mobilität zu positionieren – etwa mit Energiespeichersystemen

7. Modellregion Stuttgart: 180 000 Menschen arbeiten in der Automobilindustrie. Die Zukunft ent-werfen Hersteller und andere Akteure gemeinsam am runden Tisch

8. Modellregion München: Im Fokus steht der Aufbau eines praktisch emissionsfreien gewerblichen und privaten Verkehrs. Studien begleiten das Projekt

1

23

4

5

6

7 8

Seite 1 / 1

Am Beispiel Michelin Energy Saver: 53 Prozent weniger Rollwiderstand bei Pkw

Daten und Fakten III

Wird Gummi grün?

Formel-1-Reifen kleben auf dem Asphalt. Je besser, desto schneller die Rundenzeit. Reifen für Pkw müssen dagegen viele Anforderungen an Sicherheit und an die Wirtschaftlichkeit erfüllen. An Bedeutung gewinnt der Umweltaspekt. Das Reduzieren von Geräusch und Rollwiderstand stehen ganz oben im Pfl ichtenheft der Reifeningenieure. Um die Walkarbeit des Reifens zu überwinden, müssen 20 Prozent des Spritverbrauchs geopfert werden. Jede fünfte Tankfüllung schluckt also der Reifen. Der Rollwiderstand ist Ergebnis der Verformungsarbeit des Reifens. Ein Teil der Verformungsenergie wird zurückgefedert, der Rest wird in Wärme umgewandelt. Andererseits ist die Fähigkeit, Energie aufzunehmen, unverzichtbar, um die Haftung auf der Fahrbahnoberfl äche zu sichern. Es muss also einKompromiss gefunden werden, bei dem der Konstruktion des Reifens und dem Lauffl ächendesign, die gleiche Bedeutung zukommt wie der Wahl der optimalen Gummi-mischung am Reifen.

Quelle: Gert Lindemann/MICHELIN ENERGY

MXL1980

MXT1987

EnMXT1992

EnTX21996

ENERGY32003

EnSaver2007

EnSaverV-LET2007

Techn. Ziel*U-LET

ww2013

12,711,8

10,09,4

8,58,2 7,5

6,0

Rollwiderstand Kilogramm/Tonne

– 2,5 g/km–5 g/km

– 1,7 g/km– 2,5 g/km

– 0,0 g/km– 2 g/km

– 3 g/km CO2-Einsparung

Mit Beginn der 90er-Jahre ist der Reifen „ergrünt“. Die Silika-Technologie beziehungsweise die Beigabe von Kieselsäuren und von Silanen führte zu Gummimischungen, die den Rollwiderstand um bis zu 40 Prozent gegenüber herkömmlichen Reifen verringern. Damit sinken Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß, doch Fahrkomfort und Laufl eistung bleiben. Wer im Jahr rund 30 000 Kilometer unterwegs ist, hat die höheren Kosten des benzinsparenden Reifensatzes bereits innerhalb des ersten Jahres wieder eingefahren und gleichzeitig etwas für die Umwelt getan.


Documents

Die Beiträge der Chemie zu den kommenden Megatrends … · 2015-01-30 · Die Beiträge der Chemie zu den kommenden Megatrends Das Auto in der (e-)mobilen Zukunft Factbook 02 Ihr