Smart Traffic & Mobility Material ökologisch betrachtet

Neben Verbesserungen des Antriebs und der Optimierung der Fahrwiderstände leisten insbesondere Gewichtseinsparungen einen bedeutenden Beitrag, den Kraftstoffverbrauch und damit CO₂-Emissionen von Fahrzeugen zu senken. Für sich allein betrachtet ist der Leichtbau nicht immer die kostengünstige Alternative – er erschließt jedoch zusätzlich sekundäre CO₂-Reduzierungspotenziale. Durch eine leichtere Karosserie beispielsweise können weitere Baugruppen wie Motor, Getriebe oder Tanksystem angepasst werden, was sich ebenfalls verbrauchsmindernd auswirkt.

Erfahrungen zeigen, dass eine Verminderung des Fahrzeuggewichts um 100 Kilogramm den Kraftstoffverbrauch eines diesel- oder benzinbetriebenen Pkw im Mittel um etwa 0,3 Liter pro 100 Kilometer reduziert. Umgerechnet auf einen Kilometer Fahrstrecke emittiert ein Auto dementsprechend zwischen 7 und 8 Gramm CO₂ weniger.

Leicht allein reicht nicht

Der Gedanke liegt also nahe, möglichst viele Komponenten eines Fahrzeugs aus spezifisch leichteren Materialien wie Aluminium oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) anstelle des bewährten Werkstoffs Stahl zu fertigen. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass sich der Gewichtsvorteil dieser sogenannten Leichtbauwerkstoffe nicht vollständig auf das konkrete Bauteil übertragen lässt. Die mechanischen Eigenschaften vieler Leichtbaumaterialien erfordern neben einer geänderten konstruktiven Ausführung oder einer anderen Bauweise meist auch eine Vergrößerung der Querschnitte. Das verringert den angestrebten Gewichtsvorteil oder hebt ihn bei einzelnen Bauteilen sogar auf.

In der Nutzungsphase eines Fahrzeugs wirken sich leichte Materialien durch Gewichtseinsparungen positiv auf die Emissionen aus. Ob sich der Einsatz eines leichten Werkstoffs aber ökologisch wirklich rechnet, zeigt erst eine ganzheitliche Betrachtung, bei der auch die Werkstofferzeugung, die Fahrzeug- beziehungsweise Bauteilherstellung sowie das spätere Recyc­ling berücksichtigt werden. Auch in der Gesetzgebung findet diese ganzheitliche Betrachtungsweise zunehmend Berücksichtigung. So hat der Umweltausschuss des Europäischen Parlaments vorgeschlagen, die Umweltverträglichkeit neu zugelassener Pkw künftig anhand von erweiterten Ökobilanzen, die sich über die gesamte Lebensdauer der eingesetzten Werkstoffe erstrecken, zu bewerten.

Materialien vergleichen

Im Vergleich zeigt sich, dass beispielsweise bei der Primärerzeugung von einer Tonne Stahl rund 2 Tonnen CO₂ anfallen, bei Aluminium rund 10 Tonnen und bei CFK sogar mehr als 20 Tonnen. Bezieht man die sogenannte Multirecycling-Fähigkeit von Stahl in die ökobilanzielle Bewertung mit ein, werden bei der Erzeugung von einer Tonne Stahl – wie eine aktuelle Studie der TU Berlin nachweist – auf mehrere Recycling-Zyklen bezogen sogar weniger als eine Tonne CO₂ freigesetzt.

Und auch beim Recycling selbst punktet Stahl: Da Stahlschrott aus allen ausgedienten stahlhaltigen Produkten – also nicht nur aus Fahrzeugen – erfasst und aufbereitet wird, ist der Stoffkreislauf nahezu vollständig geschlossen. Zudem ist das Recycling beliebig oft und ohne Qualitätsverlust möglich. Bei Aluminium ist eine großtechnische sortenreine Trennung schwierig und in der Regel mit einem Downgrading zu Guss­teilen verbunden. Bei CFK-Bauteilen bleibt derzeit meist nur die thermische Verwertung.

Erweiterte Ökobilanz

Die ganzheitliche ökologische Betrachtung unter Berücksichtigung aller Lebenszyklusphasen ist bei zukünftigen Elek­trofahrzeugen von noch größerer Bedeutung als bei Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb, da während des Betriebs im engeren Sinn keine CO₂-Emissionen auftreten. Diese werden vollständig in die Phasen Materialerzeugung, Bauteil- oder Fahrzeugherstellung, Bereitstellung der Antriebsenergie sowie in das Recycling verlagert.

Automobilhersteller bewerten daher schon im Stadium der Fahrzeugentwicklung für jedes einzelne Bauteil unterschiedliche Werkstoff- und Fertigungslösungen unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten. Erst dann entscheidet sich, welche Alternative unter Abwägung aller Anforderungen den Weg in die Serie schafft.

Leichtbaukosten sind entscheidend

Neben den ökobilanziellen Aspekten spielt bei der Entscheidung für die Verwendung eines Werkstoffs in Großserie aber nach wie vor dessen wirtschaftlicher Einsatz eine zentrale Rolle. Immer wenn es darum geht, leistungsfähige Bauteile und Systeme zu vergleichsweise niedrigen Kosten zu verwirklichen, führt am Werkstoff Stahl kein Weg vorbei.

Ein Kilogramm Gewicht einzusparen, kostet bei Stahl meist zwischen ein und drei Euro. Ein Kilo Gewichtsersparnis mittels CFK kostet um die 50 Euro, mittels Alu sind es zehn bis zwölf Euro. Das liegt nicht nur an den höheren Kosten für diese Materialien, sondern auch an deren teilweise überaus aufwendigen Verarbeitung wie etwa bei CFK. Deutlich längere Taktzeiten bei der Herstellung führen zu niedrigeren Produktionszahlen und verlangen Investitionen in parallele Fertigungsketten.

Entwicklungspotenzial vorhanden

Unabhängig davon ist das technologische Entwicklungs­potenzial bei Stahl noch längst nicht ausgeschöpft. Höhere Festigkeiten durch neue Legierungs- oder Wärmebehandlungskonzepte erlauben immer dünnere Bleche. In Kombination mit neuen Fertigungstechnologien ermöglicht dies einen effizienteren Materialeinsatz und vielfach zudem die Reduktion von Prozessschritten. Deshalb ist davon auszugehen, dass auch in Zukunft leichte und sichere Autos kostengünstig mit dem Werkstoff Stahl gebaut werden. Wie die Fahrzeuge der Zukunft aussehen, kann noch niemand sagen. Sicher ist aber, dass im Fahrzeugbau auch zukünftig kein Weg an Stahl als hochbelastbarem, ökologischem und wirtschaftlichem Werkstoff vorbeiführen wird.