Whitepaper
Recycling im Automobil-Leichtbau
Stichling, Hasenberg | PE INTERNATIONAL GmbH 30.03.2010
Leichtbauweise im Automobilbau
Inhalt
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
Leichtbauweise im Automobilbau
Potenziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige Mobilität 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.
Executive Summary
Gewichtseinsparungen sind im Automobilbereich ein wichtiger Baustein, um den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen zu senken. Vor dem Hintergrund künftiger verbindlicher CO2-Grenzwerte werden die Anforderungen diesbezüglich sogar noch steigen. Die EU-Staaten einigten sich darauf, dass ab 2012 65 Prozent der Neuwagen nicht mehr als 120g/km CO2 emittieren dürfen. In den Folgejahren wird der Anteil weiter steigen bis er für alle Neuwagen greift. Der Einbau leichterer Fahrzeugkomponenten eröffnet zusätzliche Einsparpotenziale durch so genannte sekundäre Effekte. Durch eine leichtere Karosserie können weitere Fahrzeugteile, etwa wie Motor, Getriebe, Tankgröße und andere, zusätzlich 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 Nutzungsphase entstehen, kann der Leichtbau prinzipiell signifikant zur Senkung der Emissionen beitra-
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gen. Aufschluss darüber, wie weit Einsparungen in der Nutzungsphase in Gänze zu niedrigeren Emissionen führen, kann aber nur eine Lebenszyklusanalyse liefern. Leichtere Werkstoffe, wie Aluminium, Magnesium oder Kohlefaser, haben in der Herstellung einen höheren Energieaufwand als Stahl. Dieser höhere Energieinput muss dann über den Lebenszyklus wieder kompensiert werden können. Im Idealfall rechnet sich Leichtbau 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 Aluminium ist z. B. zu rechtfertigen, wenn am Endof-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 Einsatz von Leichtbauteilen, die Recyclinganforderungen sogar noch verschärfen wird, weil leicht recycelbare Materialien wie etwa Stahl durch Leichtbaukomponenten ersetzt werden.
Leichtbauweise im Automobilbau
Recycling im Automobil-Leichtbau
In 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 verpflichteten sich, den durchschnittlichen Pkw-Kraftstoffverbrauch 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 Senkung von 25 Prozent gemessen am 1995er-Wert (186g/km) entspricht. Ab 2012 gelten in der EU CO2-Obergrenzen für Autos 25 Prozent weniger Emissionen war ein ehrgeiziges 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 Vorgaben. 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 Neuwagen den Grenzwert erfüllen. Danach steigt der Prozentsatz jährlich an, bis der Grenzwert 2015 für alle Neufahrzeuge greift. Bei Nichterfüllung drohen den Autoherstellern Bußgelder. Ab 2015 dürfen Neufahrzeuge in der EU nicht mehr als 120 g CO2 je Kilometer ausstoßen. Andernfalls 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-
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stoffverbrauch sind dabei ein wichtiger Baustein. In dem europäischen Forschungsprojekt SuperLIGHT-Car hat von 2005 bis 2009 ein Konsortium aus 38 Organisationen Leichtbaulösungen entForschungsprojekt SuperLIGHT-Car hat gezeigt, 35 Prozent Gewichtseinsparung bei der Karosserie ist machbar und wirtschaftlich darstellbar.
wickelt und mit 35 Prozent Gewichtsreduzierung bei der Karosserie überzeugende Ergebnisse erzielt. Verglichen mit dem Referenzfahrzeug, einem Volkswagen Golf, konnte mit einem Multiwerkstoff-Ansatz aus modernen warmgeformten Stählen, Aluminium, Magnesium sowie faserverstärkten Kunststoffen, 100 kg eingespart werden. Die meisten Treibhausgase entstehen in der Nutzung Richtungsweisende Leichtbaulösungen finden sich zwar bereits heute in verschiedenen Fahrzeugsegmenten wieder, doch in der Breitenmobilität werden Karosserien bislang hauptsächlich als singuläre Stahlkonstruktionen gebaut. Dies hat mit noch bestehenden technischen und wirtschaftlichen Einschränkungen zu tun. SuperLIGHT-Car hat allerdings nicht nur die technische, sondern auch die wirtschaftliche 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 Kraftstoffverbrauchs 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 Potenziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige Mobilität neben der Effizienzsteigerung der Antriebstechnik, der Reduzierung des Luftwiderstandes und der Verbesserung des Strommanagements.
Leichtbauweise im Automobilbau Minderverbrauchsfaktor gibt die Energieersparnis an Um die exakten Verbrauchssenkungen durch eine Leichtbaumaßnahme ermitteln zu können, müssen eindeutige Standards zu Grunde gelegt werden. Dies erfolgt dadurch, indem der masseninduzierte Energieverbrauch über eine definierte 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 ausdrückt, erhält das Referenzbauteil den Wert 0. Aus Gewichtsreduzierungen resultiert folglich ein negativer Verbrauchswert, aus Gewichtssteigerungen 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 beträchtlich Sinkt jedoch das Fahrzeuggewicht, erhöht sich automatisch die Fahrdynamik. Eine Gewichtseinsparung sollte aber möglichst in eine weitere Verbrauchsreduzierung investiert anstatt für höhere Fahrleistungen genutzt werden. Dies geschieht in der Praxis durch eine Verlängerung der Getriebeübersetzung bzw. eine Verringerung des Hubraums (Downsizing). Volkswagen berücksichtigt diese sekundären Effekte mit einem Faktor zwei bis drei (Tab. 1). 100 kg weniger
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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 Aussage darüber zu, wie sehr der gesamte Verbrauch des Fahrzeuges insgesamt gesenkt werden kann.
Verbrauchsreduktionsfaktoren nach NEDC in [l/100km*100kg].
Tab. 1
Denn durch eine leichtere Karosserie können ggf. weitere Fahrzeugteile wie Fahrwerk, Bremsen, Tank und andere angepasst werden. Sind diese Maßnahmen bekannt, ist die Systemgrenze entsprechend zu erweitern und die Summe aller Gewichtsreduzierungen zu bewerten. Den Blick allein auf den Kraftstoffverbrauch zu richten Nur auf die Kraftstoffersparnis zu schauen, greift zu kurz. Um Verlagerungseffekte auszuschließen, muss der gesamte Lebenszyklus betrachtet werden. Nur so können Umweltvorteile durch Leichtbau quantifiziert werden.
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.
Leichtbauweise im Automobilbau Umwelteffekte müssen über den ganzen Lebenszyklus betrachtet werden Eine LCA erfasst sämtliche Energie- und Materialflüsse einer definierten funktionellen Einheit (z. B. Karosserie-Bauteil) von der Rohstoffgewinnung bis zum End-of-Life des Produktes (Abb. 1). Dominante Lebenszyklusabschnitte und potenzielle Verlagerungen von Emissionen und Umwelteinflüssen 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 tatsächlich die CO2-Emissionen senkt. Dabei ist es ganz entscheidend, dass in einer Ökobilanz, die alternativen Bauteile mit denselben Funktionen gegenüber gestellt werden, um die Ergebnisse nicht zu verzerren. Ein hoher Energieeinsatz in der Herstellung kann bei entsprechender Wiederverwertung durchaus gerechtfertigt sein.
Im Idealfall rechnet sich Leichtbau bereits in der Nutzungsphase, indem ein beispielsweise höherer Energieaufwand in der Werkstoff-Herstellung 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.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Ökobilanz nach ISO 14044
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Recyclingfähigkeit – gerade im Leichtbau eine wichtige Eigenschaft Werkstoffliches Recycling spielt im Leichtbau eine wichtige Rolle. Insbesondere Metalle lassen sich im Vergleich zu Kunststoffen sehr gut wiederverwerten. So kann sich zum Beispiel der höhere Energieeinsatz von Aluminium Leichtbaumaterialien müssen auch zunehmend recyclingfähig sein. Die Altfahrzeugverordnung der EU verschärft diese Anforderung noch zusätzlich.
rechtfertigen, wenn über eine Wiederverwertung eine Gutschrift berücksichtigt werden kann (Abb. 3). Und mit dem zumindest langfristigen Ziel eines geschlossenen Materialkreislaufes, wird sich das Augenmerk in Zukunft vermehrt auf die Recyclingfähigkeit der verwendeten Materialien richten. Der Gesetzgeber hat mit der geltenden Altfahrzeugverordnung hier schon Vorgaben für die nächsten Jahre gemacht. Seit 2006 müssen mindestens 80 Gewichtsprozent des Altfahrzeuges stofflich wiederverwertet werden. 2015 steigt der Anteil auf 85 Prozent. Der Bezug auf Gewichtsanteile führt dazu, dass ein zunehmender Einsatz von Leichtbauteilen, die Recyclinganforderungen sogar noch verschärfen wird. Denn vor allem schwerer aber leicht recycel-
Abb. 2: CO2-Bilanz ohne Gutschrift
Abb. 1+2
Leichtbauweise im Automobilbau
barer Stahl wird durch leichtere Materialien, die, mitunter wie Kunststoffe schwer stofflich zu recyceln sind, ersetzt.
Fallstudie: Reserveradmulde
Für die Herstellung einer Reserveradmulde wurden fünf verschiedene Werkstoffe hinsichtlich ihrer Treibhausgas-Emissionen über den gesamten Lebensweg bilanziert. Ohne Recyclinggutschrift wirkt sich die energieintensive Herstellung von Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) besonders auf die Gesamtemissionen 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).
CO2-Bilanz mit Gutschrift
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Werden die Werkstoffe am Ende des Lebensweges recycelt, kann eine Gutschrift für vermiedene 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 Emissionen auf. Polyamid und Polypropylen verändern sich kaum, da bei Kunststoffen von einer thermischen Verwertung mit relativ geringen Gutschriften ausgegangen wird.
Abb. 3
Leichtbauweise im Automobilbau
Fazit
Allgemeingültige Aussagen, welche Materialien im Leichtbau favorisiert werden sollten und welche zu vermeiden sind, sind nicht sinnvoll. Zunächst sind die Zielsetzung und die Randbedingungen 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 Bestimmungen ein entscheidender Aspekt. Hohe Energieverbräuche in der Herstellung können am End-ofLife durch Gutschriften in Teilen ausgeglichen werden, wenn das Material wiederverwertet wird. Hinzu kommen die spezifischen Anforderungen an die herzustellenden Komponenten, wie etwa Festigkeit, Crash-Sicherheit oder Wirtschaftlichkeit, die für die Wahl des Materials neben den Umweltanforderungen ebenso maßgebend sind. Die Leichtbauweise erzielt hinsichtlich der Umweltperformance die größte Wirkung, wenn die Auswirkungen auf andere Bauteile/-gruppen mit einbezogen werden. Daher sollten Leichtbaukonstruktionen frühzeitig in den Entwicklungsprozess mit einbezogen werden und Teil eines Gesamtkonzeptes sein und nicht singulär einzelne Komponenten ersetzen. Nur mit gewissenhaft erstellten Ökobilanzen, die den gesamten Lebenszyklus berücksichtigen, können nach festgelegten Rahmenbedingungen die Umweltrelevanz von Werkstoffen und deren Anwendung objektiv belegt werden.
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Leichtbauweise im Automobilbau
Quellennachweise
Bundesministerium der Justiz (2007): Verordnung über die Überlassung, Rücknahme und umweltverträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen (Altfahrzeug-Verordnung – AltfahrzeugV). Berlin. BDI – Bundesverband der deutschen Industrie e. V. (2004): Freiwillige Vereinbarungen und Selbstverpflichtungen. Bestandsaufnahme freiwilliger Selbstverpflichtungen und Vereinbarungen im Umweltschutz. Berlin. EurActiv (2008): EU erzielt Abkommen über CO2Emissionen 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 Karosserieleichtbau in der Automobilindustrie. Vortrag auf dem Leichtbau-Forum EuroLITE, Salzburg. Superlight-Car Projekt (2009): Superlight-Car spart 35 % Gewicht in der Fahrzeugkarosserie. Pressemitteilung EU-Projekt Superlight-Car. Wolfsburg.
Bildnachweise
Covergrafik Up lite, Volkswagen AG Abb. 1-3, PE INTERNATIONAL GmbH Tab. 1, Koffler, C. & Rohde-Brandenburger K. (2010)
Autoren
Jürgen Stichling (Dipl.-Ing.), Volker Hasenberg (Dipl.-Geoök.)
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Leichtbauweise im Automobilbau
Über PE INTERNATIONAL Nachhaltigkeit ist der Weg zu weitsichtigem unternehmerischem Handeln für eine lebenswerte Umwelt. PE INTERNATIONAL unterstützt seit 1989 Unternehmen auf der ganzen Welt, diesen Weg konsequent zu gehen. Heute ist PE INTERNATIONAL Marktführer in strategischer Beratung, Softwarelösungen und umfassenden Dienstleistungen im Themenfeld Nachhaltigkeit und unterhält Niederlassungen in Stuttgart, Wien, Kopenhagen, Manchester, Istanbul, Johannesburg, Bhilai, Shanghai,Tokyo,Taipei, Perth, Wellington, Boston und Kuala Lumpur. PE INTERNATIONAL bietet verantwortlich handelnden Unternehmen effiziente Methoden, fundiertes Wissen und ein beispielloses Erfahrungsspektrum, um ihr unternehmerisches Handeln und ihre Produkte nachhaltiger zu gestalten. Die angewandten Methoden umfassen beispielsweise die Implementierung von Management-Systemen, die Entwicklung von Nachhaltigkeitsindikatoren, Ökobilanzen (LCA), Carbon Footprint, Design for Environment (DfE) und Umwelt-Produktdeklarationen (EPD), technologisches Benchmarking, Ökoeffizienz-Analysen und Emissionsmanagement. Mit den Softwarelösungen GaBi für die Produktnachhaltigkeit und SoFi für die betriebliche Nachhaltigkeit bietet Ihnen PE INTERNATIONAL darüber hinaus zwei weltweit führende Softwarelösungen. Über 1000 Unternehmen und Institute vertrauen auf Beratung und Softwarelösungen von PE INTERNATIONAL, darunter zahlreiche Markt- oder Branchenführer wie Alcan, Allianz, Bayer, Daimler, Deutsche Post/DHL, Rockwool, Siemens, Toyota, ThyssenKrupp und Volkswagen.
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