Pkw-Leichtbau: CO2-Limits contra Werkstoff-Einsatz

Die Werkstoffwahl des Pkw-Herstellers ist geprägt von Lebenszyklus-Analysen und Kosten. Beim Blick auf Erzeugung und Recycling scheinen die Vorteile von Faserverbundwerkstoffen und Leichtmetallen dahinzuschmelzen, weil die Zahlen eindeutig scheinen: Wird ein und dasselbe Bauteil aus Stahl gefertigt, liegen die CO2-Emissionen der Produktionskette laut Armin Plath, Leiter Werkstoffe und Fertigungstechnologien der Volkswagen Konzernforschung, bei zwei Kilogramm, bei Aluminium (Al) sind es 15 Kilogramm und bei Kohlenstofffaserverbund-Kunststoffen (CFK) satte 40 Kilogramm. Bei Magnesium schwankt der CO2-Ausstoß je nach Erzeugungsverfahren zwischen 20 Kilogramm und 60 Kilogramm. So gesehen spricht im Wettbewerb der Leichtbauwerkstoffe neben den Kosten auch der CO2-Ausstoß eindeutig für Stahl. Doch dieser Schein trügt.

„Es gilt die Funktion zu vergleichen und nicht nur die Emissionen je Kilogramm zu benennen“, sagt Heinrich Timm, Vorstandsmitglied des Vereins Carbon-Composites. Timm, Erfinder von Audis „Space-Frame“ aus Aluminium, betonte auf einem Kongress des Vereins Deutscher Ingenieure zu Leichtbaustrategien für den Automobilbau, dass ein Bauteil aus einem[foto id=“477701″ size=“small“ position=“right“] Kilogramm Stahl nicht eins zu eins ersetzt wird, sondern durch etwa 600 Gramm Al oder 400 Gramm CFK. Zudem entfalte gut gemachter Leichtbau Hebelwirkung in der Gesamtkonstruktion, die das Gewicht weiter senke. Auch die Motorleistung könne reduziert werden, was im Emissionsvergleich oft zu kurz komme.

Die Automobilingenieure hielten bisher die Gewichtszunahme von einer Modellgeneration zur nächsten im Zaum. „Wir können stolz sein“, so Boris Shulkin, stellvertretender Forschungschef von Magna International in Kanada, „dass die durchschnittliche Fahrzeugmasse trotz der Verbesserungen bei Sicherheit und Komfort in den letzten 30 Jahren nur um 40 Prozent gestiegen ist“. Doch 2020 beginnt mit dem CO2-Flottenziel von 95 Gramm je Kilometer in der EU und ähnlichen Limits in den USA, Japan und China für „Pkw-Leichtbauer“ eine neue Ära. Nach Jahrzehnten wechselt die Gewichtsspirale die Richtung. Selbst beim Golf, wiegt die neueste Generation 70 kg weniger als die vorige.

Zur „Königsdisziplin für das Automobil“ erklärt Professor Horst Friedrich, Direktor des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte, den Leichtbau. Spätestens, wenn es um aktuell diskutierte CO2-Ziele von 68 Gramm je Kilometer bis 78 Gramm je Kilometer geht, wird Leichtbau ein Muss. Schließlich sei die Fahrzeugmasse in drei der vier Termen der Fahrwiderstandsgleichung die zentrale Größe, so Friedrich.

Was bringt eine Gewichtsverringerung von 100 Kilogramm? Laut Friedrich sind es je 100 Kilometer 0,15 Liter Verbrauchssenkung. Maximal steigt der Vorteil auf 0,3 Liter bis 0,4 l Liter, wenn auch Motor und Getriebe an die Gewichtssenkung angepasst werden. Bei Elektroautos sieht er ebenfalls großes Potenzial. „Bei einem Viertel weniger Gewicht steigt deren Reichweite in Simulationen typisch städtischer Zyklen um 28 Prozent.“

Das gilt auch für den Plug-in-Hybrid XL1 von VW, der dank Monocoque-Bauweise mit CFK 795 Kilogramm wiegt. Bis zu 50 Kilometer fährt er elektrisch, ehe sein kleiner Turbodiesel mit 0,8 Liter Hubraum einsetzt. So erreicht er im EU-Normzyklus einen Verbrauch von 0,9 Liter je 100 Kilometer, das entspricht 21 Gramm CO2 je Kilometer – was dem für 2050 anvisierten CO2-Reduktionsziel um 80 Prozent entspricht.

[foto id=“477702″ size=“small“ position=“left“]Volkswagen setzt CFK in unterschiedlichen Kleinserienmodellen des Konzerns ein. In der Großserie setzen die Wolfsburger vorerst auf Stahlleichtbau. Doch werden strenge CO2-Ziele den Material-Mix im Volumenmarkt ändern. „Wir arbeiten an optimierten Aluminium-Stahl-Mischbauweisen und wollen sehr gezielt Faserverbund-Werkstoffe einsetzen“, so VW-Forscher Plath. Hybride Karosserien also, mit einem Multi-Material-Mix aus Stählen, Leichtmetallen und Kunststoffen.

Wie das funktioniert, will Volkswagen in der „Open Hybrid Lab Factory“ in den nächsten Jahren zeigen. In der 120 Millionen Euro teuren Forschungsfabrik in Wolfsburg sollen dann großserien-taugliche Leichtbaukonzepte samt Fertigungsprozessen entwickelt werden. Mit am VW-Projekt „Leichtbauzukunft“ arbeiten 30 Industrie- und Wissenschaftspartner, darunter BASF, Magna, DLR und CFK-Valley Stade.

Zentral bleibt dabei die Kostenfrage. Bisher liegen die Leichtbau-Grenzkosten bei 2,5 Euro je Kilogramm Gewichtssenkung. Mit dem CO2-Emissionsziel von 95 Gramm je Kilometer der EU und den drohenden Strafzahlungen werden laut Plath bis zu 10 Euro je Kilogramm akzeptabel. „Als großer Automobilkonzern sollten wir aber auch Technologien integrieren, die kurzfristig Mehrkosten verursachen, sich aber langfristig rechnen.“