Recycling im Automobil-Leichtbau

Stichling, Hasenberg | PE INTERNATIONAL GmbH30.03.2010

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Recycling im Automobil-LeichtbauRecycling im Automobil-Leichtbau


Whitepaper


Inhalt

Leichtbauweise im Automobilbau

Potenziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige Mobilität ................................................................................................... 03

Executive Summary .......................................................................................................... 03

Recycling im Automobil-Leichtbau .............................................................................. 04

Fallstudie: Reserveradmulde .......................................................................................... 07

Fazit ....................................................................................................................................... 08

Quellennachweise, Autoren ........................................................................................... 09

Über PE INTERNATIONAL .............................................................................................................. 10


Executive SummaryGewichtseinsparungen sind im Automobilbereich ein wichtiger Baustein, um den Kraftstoffver-brauch und damit die CO2-Emissionen zu senken. Vor dem Hintergrund künftiger verbindlicher CO2-Grenzwerte werden die Anforderungen dies- bezüglich sogar noch steigen. Die EU-Staaten einigten sich darauf, dass ab 2012 65 Prozent der Neuwagen nicht mehr als 120g/km CO2 emit-tieren dürfen. In den Folgejahren wird der Anteil weiter steigen bis er für alle Neuwagen greift.

Der Einbau leichterer Fahrzeugkomponenten er- öffnet zusätzliche Einsparpotenziale durch so genannte sekundäre Effekte. Durch eine leichtere Karosserie können weitere Fahrzeugteile, etwa wie Motor, Getriebe, Tankgröße und andere, zu- sätzlich angepasst werden. Diese sekundären Effekte erhöhen die Verbrauchsreduktion um den Faktor zwei bis drei, sind also sehr erheblich und sollten in jedem Fall genutzt werden. 100 kg weniger Gewicht können so bis zu 0,35 Liter Kraftstoff (Benziner) einsparen.

Da zirka 85 Prozent der Treibhausgasemissionen des gesamten Lebenszyklus in der Nutzungs-phase entstehen, kann der Leichtbau prinzipiell signifikant zur Senkung der Emissionen beitra-

gen. Aufschluss darüber, wie weit Einsparungen in der Nutzungsphase in Gänze zu niedrigeren Emissionen führen, kann aber nur eine Lebens-zyklusanalyse liefern. Leichtere Werkstoffe, wie Aluminium, Magnesium oder Kohlefaser, haben in der Herstellung einen höheren Energieauf-wand als Stahl. Dieser höhere Energieinput muss dann über den Lebenszyklus wieder kompensiert werden können. Im Idealfall rechnet sich Leicht-bau zu einem möglichst frühen Zeitpunkt in der Nutzungsphase. Aber auch wenn dies nicht gegeben ist, kann der Einbau eines Werkstoffes sinnvoll sein. Ein höherer Energieeinsatz von Alu- minium ist z. B. zu rechtfertigen, wenn am End- of-Life über eine Wiederverwertung eine Gutschrift berücksichtigt werden kann.

Die Recyclingfähigkeit von Werkstoffen wird daher in Zukunft ganz entscheidend sein. Dies wird auch vom Gesetzgeber so gesehen. Die geltende Altfahrzeugverordnung schreibt eine stoffliche Wiederverwertungsquote nach Gewichtsprozent vor. Das führt dazu, dass ein zunehmender Ein- satz von Leichtbauteilen, die Recyclinganforde-rungen sogar noch verschärfen wird, weil leicht recycelbare Materialien wie etwa Stahl durch Leichtbaukomponenten ersetzt werden.

Leichtbau ist im Automobilbereich eine wichtige Säule zur Senkung der Treibhausgasemissionen. Doch nicht jede Gewichtsersparnis reduziert auch unweigerlich die Emissionen. Leichtere Materialien verbrauchen in der Herstellung tendenziell mehr Energie, senken aber dafür in der Nutzungsphase den Verbrauch. Ob sich Leichtbau unterm Strich rechnet, kann nur eine ganzheitliche Betrachtung beantworten. Erst eine Lebenszyklusanalyse von der Herstellung bis zum End-of-Life liefert gesicherte Aussagen. Einfache Antworten gibt es dabei nicht. Und die gesetzlichen Vorgaben zwischen CO2-Grenzwerten und Recyclingquoten erfordern nicht nur leichte, sondern auch leichter wiederverwertbare Materialien.

Potenziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige Mobilität

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Recycling im Automobil-LeichtbauIn der noch jungen Klimaschutz-Debatte in den 1990er-Jahren galten für Politik und Wirtschaft Selbstverpflichtungen als probates Mittel. Über die Zielmarke herrschte Einigkeit: 1995 kündigte die Bundesregierung an, bundesweit 25 Prozent der Kohlendioxid-Emissionen bis 2005 zu senken. Die deutschen Automobilhersteller verpflichte-ten sich, den durchschnittlichen Pkw-Kraftstoff-verbrauch im gleichen Zeitraum ebenso um 25 Prozent zu reduzieren. Und 1998 einigte sich der europäische Automobilverband ACEA mit der EU-Kommission auf 140g/km CO2 als Grenzwert für jeden neuen PKW, was ebenfalls einer Sen-kung von 25 Prozent gemessen am 1995er-Wert (186g/km) entspricht.

Ab 2012 gelten in der EU CO2-Obergrenzen für Autos25 Prozent weniger Emissionen war ein ehrgei-ziges Ziel; ob zu ehrgeizig bleibt dahingestellt. Fakt ist jedoch, dass keines dieser Ziele erreicht werden konnte. Und so weicht das Mittel der Selbstverpflichtungen neuen gesetzlichen Vor- gaben. Im Dezember 2008 einigten sich die EU-Staaten auf verbindliche CO2-Grenzwerte von 120 g/km. Fahrzeugseitig gelten 130 g/km, weitere 10 g/km sollen durch z.B. bessere Reifen oder Einsatz von Biokraftstoffen erreicht werden. 2012 müssen zunächst 65 Prozent der Neu- wagen den Grenzwert erfüllen. Danach steigt der Prozentsatz jährlich an, bis der Grenzwert 2015 für alle Neufahrzeuge greift. Bei Nichter- füllung drohen den Autoherstellern Bußgelder.

Damit ist die Messlatte für die nächsten Jahre vorgegeben. Um diese nicht zu reißen und die Reduktionsziele zu erreichen, müssen vielfältige Ansätze verfolgt werden. Gewichtseinsparungen und ein daraus resultierender geringerer Kraft-

stoffverbrauch sind dabei ein wichtiger Baustein. In dem europäischen Forschungsprojekt Super-LIGHT-Car hat von 2005 bis 2009 ein Konsortium aus 38 Organisationen Leichtbaulösungen ent-

wickelt und mit 35 Prozent Gewichtsreduzierung bei der Karosserie überzeugende Ergebnisse erzielt. Verglichen mit dem Referenzfahrzeug, einem Volkswagen Golf, konnte mit einem Multi- werkstoff-Ansatz aus modernen warmgeformten Stählen, Aluminium, Magnesium sowie faserver-stärkten Kunststoffen, 100 kg eingespart werden.

Die meisten Treibhausgase entstehen in der Nutzung Richtungsweisende Leichtbaulösungen finden sich zwar bereits heute in verschiedenen Fahr-zeugsegmenten wieder, doch in der Breiten- mobilität werden Karosserien bislang haupt-sächlich als singuläre Stahlkonstruktionen gebaut. Dies hat mit noch bestehenden tech-nischen und wirtschaftlichen Einschränkun- gen zu tun. SuperLIGHT-Car hat allerdings nicht nur die technische, sondern auch die wirt- schaftliche Machbarkeit aufgezeigt und mit 8 Euro pro eingespartem Kilogramm die Kosten gering gehalten.

Wie aus mehreren Studien bekannt ist, können etwa ein Drittel des gesamten Kraftstoffver-brauchs eines Fahrzeuges direkt dem Gewicht zugeordnet werden. Die Tatsache, dass der überwiegende Teil der Treibhausgasemissionen der gesamten Lebensphase in der Nutzung entsteht – etwa 85 Prozent – offenbart die Poten- ziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige Mobilität neben der Effizienzsteigerung der Antriebstechnik, der Reduzierung des Luft- widerstandes und der Verbesserung des Strom-managements.

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Ab 2015 dürfen Neufahrzeuge in der EU nicht mehr als 120 g CO2 je Kilometer ausstoßen. Andernfalls drohen den Autoherstellern Bußgelder.

Forschungsprojekt SuperLIGHT-Car hat gezeigt, 35 Prozent Gewichtsein- sparung bei der Karosserie ist machbar und wirtschaftlich darstellbar.



Minderverbrauchsfaktor gibt die Energieersparnis anUm die exakten Verbrauchssenkungen durch eine Leichtbaumaßnahme ermitteln zu können, müssen eindeutige Standards zu Grunde gelegt werden. Dies erfolgt dadurch, indem der massen-induzierte Energieverbrauch über eine definie- rte Distanz (meist 100 Kilometer) nach einem bestimmten Fahrzyklus (z.B. nach dem New European Driving Cycle – NEDC) berechnet und mit dem Differenzwirkungsgrad des Motors verknüpft wird. Die Verbrauchsersparnis einer Komponente wird dann mit dem so genannten Minderverbrauchsfaktor (fuel reduction value – FRV) in Litern Kraftstoff pro 100 kg und 100 km angegeben. Weil der Faktor eine Ersparnis aus- drückt, erhält das Referenzbauteil den Wert 0. Aus Gewichtsreduzierungen resultiert folglich ein negativer Verbrauchswert, aus Gewichtssteige-rungen ein positiver. Mit dem FRV wird also berechnet, wie viel Liter Kraftstoff eine alternative Leichtbaukomponente absolut einsparen könnte, nicht aber, wie groß die relative Ersparnis zum bisherigen Bauteil ist (Referenzbauteil = 0).

Sekundäre Effekte erhöhen das Potenzial der Leichtbauweise beträchtlichSinkt jedoch das Fahrzeuggewicht, erhöht sich automatisch die Fahrdynamik. Eine Gewichts- einsparung sollte aber möglichst in eine weitere Verbrauchsreduzierung investiert anstatt für höhere Fahrleistungen genutzt werden. Dies ge- schieht in der Praxis durch eine Verlängerung der Getriebeübersetzung bzw. eine Verringerung des Hubraums (Downsizing). Volkswagen be- rücksichtigt diese sekundären Effekte mit einem Faktor zwei bis drei (Tab. 1). 100 kg weniger

Gesamtgewicht spart danach durchschnittlich 0,35 Liter Otto-Kraftstoff auf 100 km ein. Ohne diese sekundären Effekte wären es nur 0,15 Liter.Der Blick auf die Verbrauchsreduktion einzelner Komponenten lässt zudem auch noch keine Aus- sage darüber zu, wie sehr der gesamte Verbrauch des Fahrzeuges insgesamt gesenkt werden kann.

Denn durch eine leichtere Karosserie können ggf. weitere Fahrzeugteile wie Fahrwerk, Bremsen, Tank und andere angepasst werden. Sind diese Maßnahmen bekannt, ist die Systemgrenze ent- sprechend zu erweitern und die Summe aller Gewichtsreduzierungen zu bewerten. Den Blick allein auf den Kraftstoffverbrauch zu richten

würde allerdings zu kurz greifen. Die tatsächlichen Umweltvorteile und Emissionsreduktionen können nur über Analysen des gesamten Lebenszyklus mit einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) bestimmt werden. Leichtere Werkstoffe, wie Aluminium, Magnesium oder Kohlefaser, haben in der Herstellung einen höheren Energieaufwand als Stahl. Kunststoffe können dagegen weniger gut wiederverwertet werden.

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Nur auf die Kraftstoffersparnis zu schauen, greift zu kurz. Um Verlagerungseffekte auszuschließen, muss der gesamte Lebens- zyklus betrachtet werden. Nur so können Umweltvorteile durch Leichtbau quantifiziert werden.

Verbrauchsreduktionsfaktoren nach NEDC in [l/100km*100kg]. Tab. 1


Umwelteffekte müssen über den ganzen Lebenszyklus betrachtet werden Eine LCA erfasst sämtliche Energie- und Material-flüsse einer definierten funktionellen Einheit (z. B. Karosserie-Bauteil) von der Rohstoffgewin-nung bis zum End-of-Life des Produktes (Abb. 1). Dominante Lebenszyklusabschnitte und poten-zielle Verlagerungen von Emissionen und Um-welteinflüssen entlang der Lebenskette können so erfasst werden. Erst wenn mögliche neue Bauteile über ihre gesamte Lebensphase auf ihre Umweltwirkung überprüft werden, können gesicherte Aussagen darüber gemacht werden, ob zum Beispiel eine leichtere Komponente tat- sächlich die CO2-Emissionen senkt. Dabei ist es ganz entscheidend, dass in einer Ökobilanz, die alternativen Bauteile mit denselben Funkti-onen gegenüber gestellt werden, um die Er- gebnisse nicht zu verzerren.

Im Idealfall rechnet sich Leichtbau bereits in der Nutzungsphase, indem ein beispielsweise höherer Energieaufwand in der Werkstoff-Her- stellung über eine deutliche Gewichtsersparnis über die Nutzungsphase überkompensiert werden kann (Abb. 2). Und selbst, wenn sich nicht schon in der Nutzungsphase Vorteile ergeben, kann der Einsatz eines Werkstoffes insgesamt dennoch sinnvoll sein.

Recyclingfähigkeit – gerade im Leichtbau eine wichtige EigenschaftWerkstoffliches Recycling spielt im Leichtbau eine wichtige Rolle. Insbesondere Metalle lassen sich im Vergleich zu Kunststoffen sehr gut wiederverwerten. So kann sich zum Bei- spiel der höhere Energieeinsatz von Aluminium

rechtfertigen, wenn über eine Wiederverwer- tung eine Gutschrift berücksichtigt werden kann (Abb. 3). Und mit dem zumindest langfristi- gen Ziel eines geschlossenen Materialkreislaufes, wird sich das Augenmerk in Zukunft vermehrt auf die Recyclingfähigkeit der verwendeten Ma- terialien richten.

Der Gesetzgeber hat mit der geltenden Alt- fahrzeugverordnung hier schon Vorgaben für die nächsten Jahre gemacht. Seit 2006 müssen mindestens 80 Gewichtsprozent des Altfahr-zeuges stofflich wiederverwertet werden.

2015 steigt der Anteil auf 85 Prozent. Der Bezug auf Gewichtsanteile führt dazu, dass ein zunehmender Einsatz von Leichtbauteilen, die Re- cyclinganforderungen sogar noch verschärfen wird. Denn vor allem schwerer aber leicht recycel-

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Abb. 1: Schematische Darstellung der Ökobilanz nach ISO 14044

Abb. 2: CO2-Bilanz ohne GutschriftAbb. 1+2

Ein hoher Energieeinsatz in der Herstellung kann bei entsprechender Wiederverwertung durchaus gerechtfertigt sein.

Leichtbaumaterialien müssen auch zunehmend recyclingfähig sein. Die Altfahrzeugverordnung der EU verschärft diese Anforderung noch zusätzlich.


barer Stahl wird durch leichtere Materialien, die, mitunter wie Kunststoffe schwer stofflich zu recyceln sind, ersetzt.

Fallstudie: ReserveradmuldeFür die Herstellung einer Reserveradmulde wurden fünf verschiedene Werkstoffe hinsichtlich ihrer Treibhausgas-Emissionen über den gesamten Lebensweg bilanziert. Ohne Recyclinggutschrift wirkt sich die energieinten-sive Herstellung von Aluminium (Al) und Ma- gnesium (Mg) besonders auf die Gesamtemissi-onen aus. Polypropylen (PP) und Polyamid (PA) weisen die geringsten Emissionen auf, weil die Aufwendung in der Herstellung relativ gering ist und das geringe Gewicht die Emissionen in der Nutzungsphase reduziert (St=Stahl).

Werden die Werkstoffe am Ende des Lebens-weges recycelt, kann eine Gutschrift für vermie-dene Primärproduktion gegeben werden. Die Gutschriften sind bei einem angenommenen Closed-Loop-Recycling von Aluminium und bei Magnesium besonders hoch, dadurch verändern sich die Netto-Emissionen im Vergleich zu Abb. 2 beträchtlich. Magnesium weist nun über den gesamten Lebenszyklus die geringsten Emissi-onen auf. Polyamid und Polypropylen verändern sich kaum, da bei Kunststoffen von einer ther-mischen Verwertung mit relativ geringen Gut-schriften ausgegangen wird.

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CO2-Bilanz mit Gutschrift Abb. 3


FazitAllgemeingültige Aussagen, welche Materialien im Leichtbau favorisiert werden sollten und welche zu vermeiden sind, sind nicht sinnvoll. Zunächst sind die Zielsetzung und die Rand- bedingungen der LCA ganz entscheidend. Eine lange Nutzungsdauer wird in der Regel leichte Materialien begünstigen, auch wenn sie in der Herstellung einen hohen Energieaufwand haben. Die Recyclingfähigkeit ist nicht nur vor dem Hintergrund der gesetzlichen Bestimmun- gen ein entscheidender Aspekt. Hohe Energiever- bräuche in der Herstellung können am End-of- Life durch Gutschriften in Teilen ausgeglichen werden, wenn das Material wiederverwertet wird. Hinzu kommen die spezifischen Anforde-rungen an die herzustellenden Komponenten, wie etwa Festigkeit, Crash-Sicherheit oder Wirt- schaftlichkeit, die für die Wahl des Materials neben den Umweltanforderungen ebenso maß- gebend sind.

Die Leichtbauweise erzielt hinsichtlich der Um- weltperformance die größte Wirkung, wenn die Auswirkungen auf andere Bauteile/-gruppen mit einbezogen werden. Daher sollten Leichtbau-konstruktionen frühzeitig in den Entwicklungs-prozess mit einbezogen werden und Teil eines Gesamtkonzeptes sein und nicht singulär einzel- ne Komponenten ersetzen. Nur mit gewissen-haft erstellten Ökobilanzen, die den gesamten Lebenszyklus berücksichtigen, können nach fest- gelegten Rahmenbedingungen die Umwelt- relevanz von Werkstoffen und deren Anwendung objektiv belegt werden.

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QuellennachweiseBundesministerium der Justiz (2007): Verordnung über die Überlassung, Rücknahme und umwelt- verträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen (Alt- fahrzeug-Verordnung – AltfahrzeugV). Berlin.

BDI – Bundesverband der deutschen Industrie e. V. (2004): Freiwillige Vereinbarungen und Selbst- verpflichtungen. Bestandsaufnahme freiwilliger Selbstverpflichtungen und Vereinbarungen im Umweltschutz. Berlin.

EurActiv (2008): EU erzielt Abkommen über CO2- Emissionen von Autos. Meldung vom 2.12.2008 auf www.euractiv.com

Koffler, Christoph, Rhode-Brandenburger, Klaus (2010): On the calculation of fuel savings through lightweight design in automotive life cycle assessments. International Journal of Life Cycle Assessment. 15-1, S. 128-135. Berlin/Heidelberg.

Stichling, Jürgen (2008): Ökobilanzen zum Karos- serieleichtbau in der Automobilindustrie. Vor- trag auf dem Leichtbau-Forum EuroLITE, Salzburg.

Superlight-Car Projekt (2009): Superlight-Car spart 35 % Gewicht in der Fahrzeugkarosserie. Presse-mitteilung EU-Projekt Superlight-Car. Wolfsburg.

BildnachweiseCovergrafik Up lite, Volkswagen AG Abb. 1-3, PE INTERNATIONAL GmbH Tab. 1, Koffler, C. & Rohde-Brandenburger K. (2010)

AutorenJürgen Stichling (Dipl.-Ing.), Volker Hasenberg (Dipl.-Geoök.)


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Kontakt:Volker Hasenberg [email protected]

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