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Automobiler Leichtbau mit Stahl

25. Juni 2013

Nur die ganzheitliche Betrachtung zählt

Leichtbau ist einer der wichtigsten Ansätze, um die CO2-Emissionen von Autos auch künftig weiter zu verringern. Werkstoffe mit geringem spezifischem Gewicht tragen dazu vor allem in der Nutzungsphase bei. Doch erst die ganzheitliche ökologische Betrachtung von der Materialherstellung bis zum Recycling zeigt, welche Materialien Klima und Umwelt wirklich nachhaltig entlasten. Für den Großserieneinsatz spielen zudem die Leichtbaukosten eine entscheidende Rolle.

Neben Verbesserungen des Antriebs und der Optimierung der Fahrwiderstände leisten insbesondere Gewichtseinsparungen einen bedeutenden Beitrag, den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen von Fahrzeugen zu senken. Für sich allein betrachtet ist der Leichtbau nicht immer die kostengünstige Alternative – er erschließt jedoch zusätzlich sekundäre CO2-Reduzierungspotentiale. 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 so genannten 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 hebt den angestrebten Gewichtsvorteil 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- bzw. Bauteilherstellung sowie das spätere Recycling berücksichtigt werden. Auch in der Gesetzgebung findet diese ganzheitliche Betrachtungsweise zunehmend Berücksichtigung. So hat der Umweltausschuss des Europäischen Parlaments vor kurzem vorgeschlagen, die Umweltverträglichkeit neu zugelassener Pkw künftig anhand von erweiterten Ökobilanzen, die sich über die gesamte Lebensdauer der eingesetzten Werkstoffe erstrecken, zu bewerten.

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 so genannte 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 großtechnisch aufwendige sortenreine Trennung erforderlich um ein Downgrading zu Gussteilen zu vermeiden. Bei CFK-Bauteilen bleibt derzeit meist nur die thermische Verwertung oder die Deponierung.

Erweitere Ökobilanz für ein genaueres Bild

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- bzw. 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 nach wie vor 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 aufwändigen Verarbeitung, wie z. B. bei CFK. Deutlich längere Taktzeiten bei der Herstellung führen zu niedrigeren Produktionszahlen und verlangen Investitionen in parallele Fertigungsketten.

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.

 

Rückfragen

Dipl.-Ing. Ralph Bartos
Telefon: +49 (0)211 6707-967
E-Mail: ralph.bartos@stahl-info.de