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Automobiler Leichtbau mit Stahl

8. März 2010

Leicht ist nicht genug

Klimavorsorge ist in aller Munde. Die Innovationen der Automobilhersteller und -zulieferer tragen dazu bei, die CO2-Emissionen von Kraftfahrzeugen weiter zu verringern. Eine wichtige technische Maßnahme ist der Leichtbau. Doch wie groß ist sein Beitrag wirklich? Und führt der vermeintlich nächstliegende Weg, vermehrt Werkstoffe mit einem niedrigen spezifischen Gewicht einzusetzen, tatsächlich zum Schutz des Klimas?

Physikalisch gesehen ist die Sache klar: Je geringer das Gewicht eines Fahrzeugs, desto weniger Kraft muss für seine Fortbewegung aufgewendet werden und desto geringer ist der Kraftstoffverbrauch. Es wurde nachgewiesen, dass eine Verminderung des Gewichts um 100 Kilogramm den Kraftstoffverbrauch eines Pkw im Mittel um etwa 0,3 Liter pro 100 Kilometer reduziert. Umgerechnet auf den Kilometer emittiert ein Benziner dementsprechend 7,1 Gramm CO2 weniger, ein Diesel 7,9 Gramm. Der Gedanke liegt also nahe, möglichst viele Komponenten eines Fahrzeugs aus spezifisch leichteren Werkstoffen, wie Aluminium, Magnesium oder Faserverbundkunststoffen, anstelle des Werkstoffs Stahl zu fertigen. Im Fokus stehen hierbei insbesondere die Karosserie, die als größte zusammenhängende Baugruppe etwa 40 Prozent des Gesamtgewichts ausmacht, und das Fahrwerk mit einem Anteil von rund 25 Prozent.

In der Praxis gestaltet sich die Realisierung jedoch weitaus schwieriger, da sich der Gewichtsvorteil der sogenannten Leichtbauwerkstoffe nicht vollständig auf das jeweilige Bauteil übertragen lässt. So erfordert die geringe Festigkeit einiger Leichtbauwerkstoffe neben einer geänderten konstruktiven Ausführung auch eine Erhöhung der Wanddicken, die den angestrebten Gewichtsvorteil verringert, bei einzelnen Bauteilen sogar aufhebt.

Nicht den ökologischen Rucksack vergessen

Bei der Bewertung von Leichtbaumaßnahmen wird häufig allein die Nutzungsphase des Fahrzeugs betrachtet, da sich die realisierten Gewichtseinsparungen überwiegend in dieser Phase auf die CO2-Emissionen auswirken. Für eine ganzheitliche ökologische Betrachtung sind aber auch die Werkstofferzeugung, die Fahrzeug- bzw. Bauteilherstellung sowie das spätere Recycling zu analysieren. Gerade hier offenbaren sich bei den einzelnen Konstruktions­werkstoffen erhebliche Unterschiede. So erfordert beispielsweise die Herstellung eines Karosserieblechs aus Aluminium im Vergleich zu einem entsprechenden Blech aus hochfestem Stahl etwa die vierfache Menge an Energie.

Auch beim Recycling, das bei vielen Verbundwerkstoffen in der großtechnischen Anwendung nicht funktioniert, punktet der Werk­stoff Stahl. Da Stahlschrott aus ausgedienten Produkten – also nicht nur aus Fahrzeugen – erfasst und aufbereitet wird, ist der Stoffkreislauf des Stahls vollständig geschlossen. Zudem ist das Recycling beliebig oft ohne Qualitätsverlust möglich.

Nicht zuletzt aus diesen Gründen werden heute bei allen Automobilherstellern bereits im frühen Stadium der Fahrzeug­entwicklung für jedes einzelne Bauteil unterschiedliche Werkstoff- und Fertigungslösungen untersucht und unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Erst dann entscheidet sich, welche Alternative unter Abwägung aller Anforderungen den Weg in die Serie schafft.

Bei der aktuellen Mercedes C-Klasse hat dies beispielsweise dazu geführt, dass der Vorderachsträger wieder aus Stahl gefertigt wird und nicht – wie im Vorgängermodell – aus Aluminium. Nach Angaben des Fahrzeugherstellers ergab die ökologische Betrachtung, dass sich der Einsatz von Aluminium selbst nach 200.000 gefahrenen Kilometern nicht rechnet. Auch mit einem Mehrgewicht von 1,5 Kilogramm war die Stahlvariante über den gesamten Lebenszyklus gesehen ökologisch vorteilhafter als die aus Aluminium. Der Vorderachsträger wird aus so genannten lufthärtenden Stählen mittels eines speziellen Umformverfahrens hergestellt und ist gegenüber einer vergleichbaren Aluminiumvariante zudem um 45 Prozent kostengünstiger.

Leicht ist schwer

Wie aufwendig es ist, die erwähnten 100 Kilogramm aus einem Fahrzeug zu verbannen, belegen auch aktuelle Studien, wie das SuperLIGHT-Car-Projekt. Im Rahmen dieses europäischen Verbundprojekts konnte ein Rohkarosserie-Konzept in Misch­bauweise verwirklicht werden, dessen Gewicht um gut 35 Prozent unter dem der Referenzstruktur liegt. Der fertigungstechnische Aufwand ist jedoch beträchtlich und würde zum heutigen Zeitpunkt zur Verdoppelung der Kosten einer Rohkarosserie führen.

Ein ähnliches Bild zeigt auch die von ThyssenKrupp durchgeführte Studie InCar, in der ein komplettes Fahrzeug betrachtet wird. Mehr als 30 Innovationen auf Basis verschiedener Werkstoffe sind für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang künftiger Automobile entwickelt worden. Während die technologisch ausspruchsvollen Leichtbaumaßnahmen an Karosserie und Fahrwerk ein Einsparpotential von 3,56 Gramm CO2 pro gefahrenem Kilometer ergeben, zeigt die vorgenommene Optimierung des Antriebs ungleich stärkere Wirkung: Mithilfe eines neu entwickelten variablen Ventiltriebs lassen sich 14,1 Gramm CO2 pro Kilometer einsparen.

Dass insbesondere die konventionellen Antriebskonzepte noch großes Potential zur CO2-Minderung besitzen, beweisen die jüngsten Entwicklungen der Autohersteller zum Einsatz von aufgeladenen Motoren mit kleinerem Hubraum. Die wachsenden spezifischen Motorleistungen bei geringerem Kraftstoffverbrauch bedingen immer höhere Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen. Zulieferer von Motorenkomponenten arbeiten daher zurzeit intensiv an Kolbenkonzepten aus Hochtemperaturstählen, die mechanisch und thermisch höher belastbar sind als die heute üblichen Kolben.

Das Gesamtpaket zählt 

Neben Leichtbau und Steigerung des Antriebswirkungsgrads stehen den Automobilherstellern und -zulieferern eine ganze Reihe weiterer Möglichkeiten zur Verfügung, die CO2-Emissionen der Fahrzeuge zu senken. Großes Potenzial besitzen beispielsweise intelligente Energiemanagementsysteme, zu denen die Start-Stopp-Automatik und die bedarfsgerechte Ansteuerung von Aggregaten wie Wasserpumpe und Klimakompressor zählen, sowie Maßnahmen zur Verringerung der Fahrwiderstände.

Gerade die Aerodynamik ist eine in diesem Zusammenhang vielfach unterschätzte und in der aktuellen öffentlichen Diskussion oft vernachlässigte Einflussgröße auf den Kraftstoffverbrauch. Während dieser bei niedrigen Geschwindigkeiten, beispielsweise im Stadtverkehr, vor allem vom Fahrzeuggewicht sowie der Effizienz des Antriebs abhängt, dominiert bereits ab einer Geschwindigkeit von ca. 70 Kilometer pro Stunde der Luftwiderstand. Nach den Gesetzen der Physik wächst der Luftwiderstand zudem mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Das erklärt, warum der Kraftstoffverbrauch beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von 160 Kilometer in der Stunde um bis zu 35 Prozent gegenüber Tempo 130 ansteigt. Da die Fahrgeschwindigkeit in erster Linie vom Fahrer bestimmt wird, bleibt den Automobilentwicklern lediglich, den Luftwiderstandsbeiwert – auch als cw-Wert bekannt – zu optimieren und die Fahrzeugstirnfläche möglichst klein zu halten.

Die genannten Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, stets alle Einflussgrößen zu berücksichtigen, um die geforderten CO2-Einsparungen zu erreichen, ohne jedoch das unterschiedliche Potential der einzelnen Maßnahmen außer Acht zu lassen. Wie die kommenden Fahrzeuggenerationen wirklich aussehen werden und welchen Anteil die zurzeit viel diskutierte Elektromobilität haben wird, kann augenblicklich noch niemand mit Gewissheit sagen. Sicher ist aber, dass im Fahrzeugbau auch zukünftig kein Weg an Stahl als hochbelastbarem, ökologischem und wirtschaftlichem Werkstoff vorbeiführen wird.

 

Rückfragen

Dipl.-Ing. Ralph Bartos
Telefon: + 49 211 6707-967
E-Mail: ralph.bartos@stahl-zentrum.de