1 Rationelle Energienutzung

Werbung
1
Entwurf zur Technologiebewertung
Leichtbau
Nur für internen Gebrauch
Auszug aus dem Verbundprojekt
Energietechnologien 2050 – Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung
http://www.energietechnologien2050.de/
2
1
Rationelle Energienutzung
1.1
Leichtbau
1.1.1
Beschreibung des Technologiefeldes
Technologiefeld Leichtbau
Ziel der Leichtbauweise ist die Senkung des Bedarfs an Energie und Rohstoffen durch
Gewichtseinsparung. Diese wird realisiert durch ein Zusammenspiel von integrierten
Konstruktionsprinzipien, optimierter Bauteilauslegung, angepassten Herstellungsverfahren und zweckgerechter Werkstoffauswahl. 1 Zu beachten ist, dass die gesamten
Materialeigenschaften (wie Zugfestigkeit, Dauerschwingfähigkeit und Verarbeitbarkeit)
wesentlich den Einsatz der Leichbauprodukte bestimmen und in der Summe optimiert
werden müssen. Die Gründe für Leichtbau können verschiedener Natur sein. Hauptargument für den Einsatz von Leichtbaumaterialien ist die Einsparung von Energie und
Rohstoffen. Effiziente und wirtschaftliche Leichtbaukonzepte gewinnen gerade vor dem
Hintergrund kontinuierlich steigender Rohstoff- und Energiepreise eine immer größere
Bedeutung.
Die Abbildung 1 zeigt die unterschiedliche Dichte von verschiedenen Werkstoffen und
illustriert die große Bandbreite. Wichtig sind aber die gesamten Materialeigenschaften,
die die Potenziale eines Einsatz von Werkstoffen determinieren (siehe Tabelle 1). Bei
einer ganzheitlichen energetischen Bilanzierung ist zu beachten, dass bei Verwendung
von Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium und von Polymerwerkstoffen wie
Kohlefasern und Epoxidharz die energetischen Aufwendungen zur Materialherstellung
zum Teil sehr hoch sind und beispielsweise deutlich über denen von Stahl liegen2.
1 Siehe (Oertel et al. 2006); in Wiedemann (2007) werden die ingenieurwissenschaftlichen
Grundlagen zum Leichtbau dargestellt. Honsel (2008) gibt einen populärwissenschaftlichen Überblick zu Leichtbau und ITAS (2008) zeigt verschiedene Ansätze
des Leichtbaues mit Praxisbeispielen auf.
2 Siehe zu Beispielen einer ganzheitlichen Bilanzierung (Jochem et al. (2004).
3
9
-6
Dichte in 10 kg/mm
3
8
7
6
5
4
3
2
Kohlenstofffaserverstärkte
Kunststoffe - Epoxidharz
Glasfaserverstärkte
Kunststoffe (GFK) Gießharz
Magnesium
Kohlenstofffaserverstärkte
Kunststoffe Kohlenstofffaser
Glasfaserverstärkte
Kunststoffe (GFK) Glasfaser
Titan
Stahl
0
Aluminium
1
Abbildung 1: Dichte von verschiedenen Werkstoffen
Tabelle 1: Werkstoff mit wichtigen Materialeigenschaften
Werkstoff
Dichte Elastizitäts-Modul
[g/cm3] [kN/mm2]
Zugfestigkeit** Verhältnis Elastizitäts[N/mm2]
modul/Dichte
(Steifigkeitsmaßstab)
Ferritischer Stahl
7,85
210
350
26,8
Hochfester Stahl
7,85
210***
1300
26,8
Titan
4,5
110
300 - 1200
24,4
Aluminium
2,7
70
150 - 680
25,9
Magnesium
1,7
45
190 - 230
26,5
Glasfaserverstärkte 1,5
Kunststoffe (CFK)
120 - 500
1500 - 5600
80 – 333,3
Glasfaserverstärkte 2,0
Kunststoffe GFK
44 - 90
1000 - 1800
22 – 45
*Der Elastizitätsmodul ist ein Materialkennwert aus der Werkstofftechnik, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear
4
elastischem Verhalten beschreibt. Ein Material mit hohem Wert lässt sich schwerer verformen
als eines mit niedrigem Wert.
** Die Zugfestigkeit ist die Spannung, die im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft
bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe errechnet wird.
*** Ein Hochfester Stahl kann gegenüber einem konventionellen Stahl eine höhere Kraft vertragen, erfährt aber auch eine entsprechend höhere Dehnung, so dass das Elastizitäsmodul bei
allen Stählen gleich ist .
Es existiert eine Fülle an Optionen zum Leichtbau, u.a. wegen der hohen Anzahl an
Materialien, Fertigungsverfahren und Anwendungszwecken. In den folgenden Ausführungen wird der Versuch unternommen die aus Energieperspektive wichtigsten Entwicklungen darzustellen. Wegen der Vielfalt können manche Themen jedoch nur angerissen bzw. mussten weggelassen werden.
1.1.2
Aktueller Entwicklungsstand und künftiger Entwicklungsbedarf
Im Fahrzeug- oder Flugzeugbau entlastet jedes eingesparte Kilogramm Gewicht die
Umwelt und erhöht die Treibstoffeinsparungen. Der Fahrzeugbau ist derzeit der wichtigste Abnehmer für Leichtbauwerkstoffe 3 . Von 1990 bis 2003 ist der Anteil von
Leichtmetallen von 5% auf 14-33% hier gestiegen4. Allerdings gibt es auch ein interessantes Leichtbaupotenzial in anderen Bereichen, was häufig übersehen wird5. Im Maschinen- und Werkzeugbau kann vielfach schneller und präziser produziert werden,
wenn die bewegte Masse reduziert wird. Allerdings sind hier Leichtbauweisen noch
kaum verbreitet6. Auch in der Verpackungsindustrie (z.B. im Behälterglasbereich7) und
im Bauwesen (z.B. im Brückenbau oder im Hochbau) spielt Leichtbau eine zunehmend
wichtigere Rolle.
Konventionelle metallische Werkstoffe
3 Siehe BMBF (2003).
4 Bullinger (2007).
5 Siehe Lemke et al. (2008).
6 Siehe Schmidt (2000).
7 Siehe Jochem et al. (2004).
5
Der Stahlsektor ist an absoluten Produktionsmengen, Endenergieverbrauchsmengen
und CO2-Emissionen der wichtigste Massenwerkstoff. 90% der heute verwendeten
Struktur- bzw. Konstruktionswerkstoffe sind Eisenwerkstoffe und in Deutschland verbraucht jeder Einwohner im Jahr 490 kg Rohstahl8. Stahl weist im Vergleich zu Leichtbauwerkstoffen eine sehr hohe Dichte auf (siehe Abbildung 1), allerdings zeichnen ihn
seine Materialeigenschaften für eine vielfältige Anwendungspalette aus. Hier ist insbesondere das gute Verhältnis von Steifigkeit zur Dichte bzw. Zugfestigkeit zur Dichte zu
nennen, bei dem Stahl vielen Leichtbaumaterialen mindestens ebenbürtig ist (siehe
Tabelle 1x).
Bei konventionellen metallischen Werkstoffen liegen noch hohe Potenziale durch
Leichtbau 9 . Ein Ansatz ist die Massenreduzierung durch den Einsatz höherfester
Stahlsorten. Allerdings lassen sich höherfeste Stähle mit hoher Zugfestigkeit nur
schwer umformen und schweißen. Deshalb wird durch spezielle Wärmebehandlung
und Umformung sowie der Verwendung von Legierungselementen die Zugfestigkeit
gesteigert und Umformbarkeit sichergestellt. Hier sind Dualphasenstähle, Trip/TWIPStähle, Complex-Phasen-Stähle, Presshartebare Stähle und Mangan-Bor-Stähle zu
nennen. Beispielsweise können durch hoch- und höchstfeste Stahlsorten bei einzelnen
Bauteilen im Automobilbau eine Gewichtsreduktion von bis zu 40% realsiert werden.10
Ein zweiter Bereich ist der Einsatz neuer Werkstoffe/Halbzeuge:
–
Tailored Blanks (hinsichtlich spezifischer Werkstoffeigenschaften und Blechdicke maßgeschneiderte Bleche)
–
Verbundelemente aus Stahl und Aluminium (Hybrid Tailored Blanks)
–
Stahl-Sandwichbleche (Verbindung von zwei dünnen Stahlblechen mit Polypropylen-Kunststoffschicht)
Ein dritter Bereich umfasst die Nutzung neuer Fertigungsverfahren, wie Innenhochdruckumformen (Herstellung von Hohlteile), die Nutzung neuer Formgebungsverfahren, wie Ersatz von Spanen durch Umformen und Trennen, und die Nutzung neuer
Fügeverfahren, wie Laserschweißen, Kleben oder Clinchen.
Es muss beachten werden, dass ein erhöhter Aufwand in der Herstellung der höherwertigen Stahlsorten und bei der Produktion oder in der Verbindung der Bauteile im
8 Siehe Bullinger (2007).
9 Siehe hierzu Schmidt (2000), Jochem et al. (2004), Angerer et al. (2009), ITAS (2008), Ritthoff
et al. (2007), Prange et al. (2001) und das ULSAB-Projekt (Ultra-Light-Steel-Auto-Body)
und
dessen
Nachfolgeprojekt
ULSAB-AVC
unter
http://www.stahlinfo.de/stahl_im_automobil/ultraleicht_stahlkonzepte/ulsab_avc/ulsab_avc_basisinfo.htm,.
10 Siehe Velikonja (2004).
6
Vergleich zu den potenziellen und tatsächlichen Einsparungen gesetzt werden. Dies
hängt im Wesentlichen von den erzielbaren Einsparungen während der Nutzungsphase und dem Recycling ab. Im PKW-Bereich ist dies i.d.R. schnell erreicht (siehe
Jochem et al. (2004) und Lemken et al. (2008)). Stahl mit hohem signifikant gesteigerten Legierungsanteil durch Elemente wie Mangan, Chrom oder Nickel können im Hinblick auf den gesamten Ressourcenverbrauch durchaus problematisch sein (siehe
Lemke at al. (2008)). Allerdings können Gefügeverbesserte (hochfeste) Feinkornstähle
ebenso wie normalfeste Stähle als niedrig legierte Stähle ausgebildet werden (dies ist
der Fall ab einem Legierungsanteil von unter 5 %). I.d.R. kann von demselben Legierungsanteil wie bei normalen Stählen ausgegangen werden, eher ist der Legierungsanteil geringer, weil dieser spezifischer in der Mikrostruktur eingelagert wird.
Neue metallische Werkstoffe
Von den Leichtmetallen mit einer Dichte von unter 5 g/cm³ ist Aluminium und seine
Legierungen bezogen auf die industrielle Einsatzmenge am Bedeutendsten. Weitere
positive Eigenschaften von Aluminium sind niedrige Warmfestigkeit, hoher Wärmeausdehnungskoeffizient, gute elektrische Leitfähigkeit und zum Teil gute Schweißbarkeit.
In der Automobilindustrie (derzeit ca. 25 % des Aluminiumabsatzes) leisten aus Aluminium gefertigte Motorblöcke, Getriebegehäuse und komplexe Karosserieteile einen
Beitrag zur Energieeffizienz. Dies liegt im Wesentlichen an der geringeren Dichte gegenüber Stahl. Allerdings ist die Festigkeit von Aluminium gegenüber Stahl wesentlich
niedriger. Dadurch müssen beanspruchte Teile größer dimensioniert werden, was einen Teil des Potenzials der Gewichtseinsparung aufzehrt. In der Praxis geht man davon aus, dass für die Substitution von 1 kg Stahl im Straßenfahrzeug 0,6 kg Aluminium
eingesetzt werden müssen (Jochem et al. (2004)). Ein Nachteil von Aluminium ist der
extrem hohe Elektrizitätseinsatz für seine Herstellung aus dem primären Rohstoff Bauxit. Energetisch ungleich günstiger ist das Umschmelzen von Aluminiumschrott. Allerdings wird Sekundäraluminium wegen der in den Schrotten vorhandenen Verunreinigungen hauptsächlich für Gusslegierungen verwendet. Die höherwertigen Knetlegierungen für gewalzte Bleche und Profile benötigen definierte Legierungsbestandteile,
die mit Primäraluminium eingestellt werden.
Ein weiterer wichtiger Bereich ist die Verpackungsindustrie. Hier wird Aluminium unter
anderem zu Getränke-, Konservendosen und Aluminiumfolie verarbeitet und hat in
diesem Bereich einen Anteil von ca. 40 Prozent des Weltverbrauchs.
7
Aktuell werden vermehrt Aluminiumlegierungen mit Scandium für den Leichtbau entwickelt und eingesetzt11. Diese Al-Sc-Legierungen finden hauptsächlich beim Bau von
Sportgeräten und im Flugzeugbau - Flugzeugrumpf sowie das Tragflächenmittelstück
und das Querruder – ihren Einsatz. So müssen beispielsweise Flügel, die aus Al-ScLegierungen hergestellt werden, nicht angemalt oder lackiert werden. Das führt zu einer 1 – 2 %igen Gewichtseinsparung beim ganzen Flugzeug. Andere Forschung konzentriert sich darauf Drähte für Schweißverbindungen aus einer Aluminium-ScandiumLegierung herzustellen.
Der hohe Preis von Scandium (ja nach Reinheitsgrad zwischen 700 und 2.100 $/kg
(siehe USGS (2007)) ist eine Hürde für den Einsatz von Al-Sc-Legierungen. Aber bei
einer systemischen Betrachtung sind Sc-Al-Legierungen jedoch um 15 % billiger als
heutige Flugzeugwerkstoffe, da sie nicht genietet werden müssen, sondern mit Lasern
geschweißt werden können (Fewster (2005)). Weil Scandium eine höhere Löslichkeit in
Aluminium als andere Seltene Erdmetalle besitzt, führt das zu erhöhter Stärke, Belastbarkeit und einer besseren Kontrolle über die Mikrostrukturen. Wird Scandium zu Aluminiumlegierungen hinzugefügt, erhöht es die Streckfestigkeit dieser Legierungen (AlMg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu) und reduziert die Korngröße deutlich. Von allen Legierungselementen erhöht Scandium, wenn es Aluminium zugesetzt wird, die Festigkeit
pro Atomprozent am meisten. Außerdem weisen Aluminium-Scandium-Legierungen
noch eine erhöhte Resistenz gegen Kristallbildung und gegen Warmrissbildung auf
(siehe Scandium Information Center (2008)). Problematisch ist die Verfügbarkeit von
Scandium. Scandium zählt zu den Seltenen Erden. Es hat seine höchsten Konzentrationen in Thortveitit, einem der zugleich seltensten Minerale überhaupt. Es findet sich
u. a. auch in Eisen-, Uran-, Zinn- und Wolframerzen. Der Abbau von Scandium ist bisher nur als Kuppelprodukt unter speziellen Bedingungen wirtschaftlich darstellbar12.
Magnesium ist bis zu 75 Prozent leichter als Stahl und 35 Prozent leichter als Aluminium. Allerdings wird reines Magnesium aufgrund der geringen Härte und der hohen
Korrosionsanfälligkeit kaum verwendet. Magnesiumlegierungen, z.B. mit Aluminium,
zeichnen sich jedoch durch ihre geringe Dichte, ihre hohe Festigkeit und ihre Korrosionsbeständigkeit aus. Mit Dichten von 1,3 bis 1,9 g/cm³ sind technische Magnesiumlegierungen die leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe überhaupt. Sie finden
in der Automobilindustrie und im Maschinenbau zunehmend ihre Einsatzmöglichkeit.
Das künftige Gesamtpotenzial für Mg wird pro Fahrzeug auf 50-80 kg geschätzt13 und
11 Siehe zu den folgenden Ausführungen Angerer et al. (2009).
12 Siehe Naumov (2008) und USGS (2008).
13 Siehe WVM (2009).
8
könnte somit bei einem durchschnittlichen Leergewicht pro Fahrzeug von 1200 kg ein
sehr wichtiges Leichtbaumaterial werden, da es eine hohe Verfügbarkeit hat 14 und
prinzipiell eine gute Recyclingfähigkeit aufweist. Allerdings sind die Sekundärkreisläufe
bei Magnesium bisher nur unzureichend geschlossen. Derzeit erfolgt nur das Recycling
von sauberem, kompaktem Mg-Neuschrott mit bekannter Zusammensetzung. 15 Altschrott kann noch nicht recycelt werden, da es momentan nicht möglich ist, diesen so
sauber aufzuarbeiten, dass Strukturmagnesium in high-purity (HP)-Qualität erzeugt
werden kann. Bereits geringste Gehalte an Kupfer und Nickel machen die Erzeugung
von HP-Strukturmagnesium unmöglich. Wesentliche Voraussetzungen für die Erhöhung der Recyclingrate sind die Werkstoffkennzeichnung und eine recyclingfreundliche Konstruktion, was die Demontage kompakter verunreinigungsarmer Teile
erlaubt.
Im Vergleich zu Aluminium ist Magnesium deutlich teurer und weniger korrosionsbeständig. Für den Einsatz von Aluminium im Automobilbereich stehen deshalb die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Warmfestigkeit sowie die Entwicklung von
gut verformbaren Blechwerkstoffen im Vordergrund. Weiterhin ist die Herstellung von
Magnesium wegen der Sauerstoffaufnahme beim Gießen und der Rissgefahr beim
Umformen problematisch. Im Herstellungsprozess ist Magnesium relativ energieintensiv. Für 1 kg Magnesium werden ca. 18 kWh Energie benötigt.16
Neuerdings experimentieren die Materialwissenschaftler mit der Herstellung neuer
Magnesiumlegierungen mit Elementen der Seltenen Erden, wie Yttrium, Neodym und
Cer. Schon geringe Zusätze in der Größenordnung von 0,5 Prozent können Materialeigenschaften wie Zähigkeit, Hochtemperatur- und Kriechbeständigkeit entscheidend
verändern.
Titan ist ein metallisch weiß glänzendes leichtes Metall mit hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Mit einem spezifischen Gewicht (Dichte) von 4,51 g/cm³ weist es
nur 57 % des Gewichts von Eisen auf, erreicht aber entsprechend legiert die Zugfestigkeit von hochfesten Stählen (siehe Tabelle 1). Aluminium ist leichter, seine Festigkeitswerte bleiben aber weit hinter Titan zurück. Die ungebrochene Dynamik der Nutzung von Titanmetall gründet sich auf die unerreicht hohe spezifische Arbeitsfähigkeit
des Metalls, die durch das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht charakterisiert wird.
14 Magnesium ist das 7. häufigste Element der Erdkruste (siehe Enhag 2004).
15 Siehe zu den folgenden Ausführungen WVM (2009).
16 Siehe Seilnacht-Lexikon (2009). Nach Kaiser wird für die Elektrolyse 40 – 80 MJ/kg an Ener-
gie benötigt mit Potenzial auf unter 40 MJ/kg zu kommen (zum Vergleich Aluminium 47
MJ/kg).
9
Titan ist kein seltenes Metall, sondern im Gegenteil das 9. häufigste Element der Erdkruste. Im Vergleich zu klassischen Strukturwerkstoffen haben Titanlegierungen allerdings einen relativ hohen Preis, wodurch in vielen Fällen ihr Einsatz in Massenprodukten wie im Straßenfahrzeugbau eingeschränkt wird. In der Luftfahrttechnik spielen Titanlegierungen hingegen eine wichtige Rolle, weil hier die Zahlungsbereitschaft höher
ist17. Bei Titan konzentrieren sich die derzeitigen Bemühungen daher auf die Verbesserung bzw. Substitution des Herstellungsverfahrens, um dem sehr hohen Materialpreis entgegen zu wirken.
Eine weitere Verwendung finden Aluminium oder Aluminiumlegierungen wegen ihrer
günstigen Dichteeigenschaften in Metallschäumen. Je nach Herstellungsverfahren
liegt sie bei 2 bis 35 % des Vollmaterials. Durch die Schäumung entstehen eine Vielzahl von Poren und Hohlräumen innerhalb des Ausgangsmaterials. Die Dichte des
Aluminiumschaums kann damit z.B. 0,3 – 1,0 g/cm³ betragen. Dennoch weisen Metallschäume eine hohe Festigkeit und spezifische Steifigkeit auf, aber auch ein gutes
Energieabsorptionsvermögen, was den Einsatz in Crashschutzelementen in der Automobilindustrie ermöglicht. Im Werkzeugmaschinenbau wird durch den Einsatz von Metallschäumen eine deutliche Gewichtsreduzierung bei verbesserten Dämpfungseigenschaften erreicht. Weitere Anwendungsmöglichkeiten finden sich in der Raumfahrt
(Hitzeschilde) und Papierindustrie (aufgeschäumte Walzen). Außerdem gibt es Metallschäume für Filter, Wärmetauscher, Elektroden, Katalysatoren, Sensoren oder biomedizinische Implantate. Nachteile dieser Werkstoffgruppe bzw. Applikationshemmnisse
stellen zurzeit die Herstellungskosten, die Reproduzierbarkeit der Herstellung der
Schaumstruktur sowie fehlende Referenzanwendungen dar. Weiterhin rücken gegenwärtig Forderungen der Praxis nach besseren Oberflächengüten und Funktionsschichten in den Vordergrund.
Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe bestehen aus verschiedenen Werkstoffgruppen. Als Grundwerkstoff
(Matrixwerkstoff) kommen Metalle, Kunststoffe, Keramiken und Kohlewerkstoffe in Frage. Als Faserwerkstoffe sind es Gläser, Keramiken, Kunststoffe, Kohlefasern und Naturfasern. Ziel der Kombination ist die Vereinigung und synergetische Nutzung der jeweiligen positiven Eigenschaften. Entscheidend für den Einsatz der Verbundwerkstoffe
sind die Grenzschichteigenschaften Faser/Matrix. Ein großes Problem dieser Werkstoffe sind die noch zu hohen Kosten.
17 Siehe Honsel (2008).
10
Metall-Matrix-Komposite (MMC) lassen sich durch die Verstärkung von Metallen
durch keramische Fasern (insbesondere Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid) herstellen. Sie stellen eine Alternative zu konventionellen Leichtmetalllegierungen mit besseren Materialeigenschaften dar. Durch ihre geringe Dichte, der hohen
Temperaturbeständigkeit, der hohen Festigkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit haben MMC ein hohes Anwendungspotential in der Energietechnik (z.B. Turbinen).
aber auch in der Luft- und Raumfahrt. So ist in etwa ein Verbundwerkstoff aus Aluminium und Siliziumcarbidteilchen für eine Scheibenbremse deutlich besser geeignet als
eine Aluminiumlegierung, da er fester ist und damit geringere Baugrößen zulässt.
Keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC) stellen eine neue Werkstoffklasse dar,
die neben guten Verschleißeigenschaften, extremer Temperaturbeständigkeit und geringer thermischer Ausdehnung eine niedrige Dichte hat und damit eine Alternative zu
konventionellen Konstruktionswerkstoffen ist.
Faserverstärkte Kunststoffe (PMC) besitzen herausragende Merkmale wie hohe
Festigkeit und Steifigkeit bei äußerst geringer Dichte. Vergleicht man den spezifischen
E-Modul eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes (CFK) 84,3 GPa cm³/g mit dem
Wert für Stahl 25 GPa cm³/g, so wird ersichtlich, dass CFK mehr als 3-mal so steif ist.
Damit sind PMC prädestiniert für den Einsatz im extremen Leichtbau. Durch die Reduzierung der Eigenmasse zugunsten der Nutzlast kann der Energieverbrauch gesenkt
werden. Der neue Airbus A380 hat einen Anteil von CFK am Strukturgewicht des Flugzeugs von mehr als 20 Prozent (siehe BMBF (2005)). Bei der Herstellung von CFK
werden die dünnen Kohlenstofffasern (Durchmesser in der Regel 7-13 µm) zu Bündeln
von bis zu 1000 Einzelfasern zusammengefasst und in die Matrix (meist Duromere) als
Verstärkung eingebettet. Auch im Schienenverkehr kommt CFK immer mehr zum Einsatz. Die Reparatur dieser Materialien ist allerdings deutlich aufwändiger als die Reparatur von Bauteilen aus Aluminium oder Stahl.
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojektes "GroTherm" (siehe
BMBF (2005) versuchen Industrie und Forschung neuartige kohlenstofffaserverstärkte
Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix zu entwickeln und integrierte Prozessketten für die Produktion zu schaffen. Damit sollen Fertigungszeiten für CFK verkürzt
werden.
Allerdings schlägt sich das stoffliche Recycling von PMC negativ in der Ökobilanz nieder, denn die einzelnen Komponenten müssen aufgrund ihrer verschiedenen chemischen Basis stofflich getrennt werden. In dieser Hinsicht wäre ein Verbundwerkstoff
optimal, bei dem Faser und Matrix auf gleicher chemischer Basis beruhen. Mittelfristig
wird für den Weltmarkt polymerer (Nano-)Komposite ein sehr starkes Wachstum prog-
11
nostiziert. Der Vergleich der Werte für 2001 (15 Mio. USD) und 2006 (prognostiziert:
300 Mio. USD) verdeutlicht dies (siehe VDI Technologiezentrum (2004)).
Smart Materials
Smart Materials sind Werkstoffe, welche die Eigenschaft haben sich selbständig an
sich verändernde Umweltbedingungen anzupassen. Auch Materialien, die mit Hilfe
integrierter aktiver Steuerungselemente gezielt auf äußere Einflüsse reagieren können,
zählen zu dieser Gruppe der "intelligenten Werkstoffe". Nach dem Vorbild von Nervenimpulsen sind multifunktionale Verbundwerkstoffe in der Entwicklung, die z.B. beim
Einbau in Fahrzeuge selbständig in der Lage sind, Schwingungen zu dämpfen, den
Lärmpegel zu senken und gleichzeitig erheblich zur Gewichtsreduktion beizutragen.
Dabei registrieren Sensoren die Schwingung im Material, das Sensorsignal wird von
einem Regler verarbeitet, der integrierte Aktuatoren so ansteuert, dass die Bewegung
umgehend abgedämpft wird. Dazu verwendet man mikrometerfeine piezoelektrische
Fasern aus Keramik, die mechanische oder thermische Spannungen in elektrische
Signale umzusetzen können. Wird umgekehrt eine elektrische Ladung angelegt, können sich die Fasern dehnen oder zusammenziehen. Der komplette Verbundwerkstoff
setzt sich schließlich aus passiven und aktiven Einzelschichten zusammen und besitzt
sowohl sensorische wie aktuatorische Eigenschaften.18
Aerogel
Bei der Sol/Gel Technik wird aus löslichen Verbindungen (etwa des Siliziums) ein Sol
hergestellt, bei dem siliziumhaltige Tröpfchen in einer Trägerflüssigkeit schwimmen
(siehe BMBF (2005)). Wenn die etwa auf ein Blech aufgesprüht und erwärmt wird,
schwindet die Trägerflüssigkeit und die Siliziumtröpfchen bilden ein Netzwerk, sie gelieren. Schließlich wird das gelierte Netzwerk zu einer harten keramischen Schicht und
das Blech ist vor Korrosion geschützt. Das Lösungsmittel eines Gels lässt sich unter
Umständen auch so entfernen, dass der Gelkörper sein äußeres Volumen behält. Es
entsteht ein hochporöses Material sehr geringer Dichte, ein Aerogel. Außerdem können sie sich durch ihre hohe Belastbarkeit und eine geringe thermische Leitfähigkeit
auszeichnen. Im Verbund mit Fasern (Kohlenstoff, Glas, Aramid, Naturstoffen) bieten
sie die Möglichkeit zur Herstellung extrem leichter neuer Werkstoffe, die aufgrund ihrer
Eigenschaften in der Luft und Raumfahrt, im Automobilbau sowie als Isoliermaterial im
Bereich der Wärmedämmung große Bedeutung erlangen können (siehe ITAS (2008)).
Nanokomposite
18 Siehe ITAS (2008).
12
Eine wichtige neue Entwicklungslinie im Leichtbau ist die Verwendung von Nanokompositen. Bei der Nanotechnologie werden herkömmlichen Materialien winzige Partikel
anderer Stoffe beigemischt. Dadurch ändern sich die physikalischen Eigenschaften
deutlich. Diese Effekte beruhen auf dem extremen Verhältnis zwischen großer Oberfläche und kleinem Volumen bei Partikeln. Die Nanokomposite versprechen Gewichtsreduktion, gute Geräuschdämpfung, höhere Korrosionsbeständigkeit und bessere mechanische Eigenschaften und sind somit vor allem für den Einsatz im Fahrzeug- und
Flugzeugbau prädestiniert. Bei Strukturkomponenten wie Chassis und Karosserie werden Verbundwerkstoffe aus herkömmlichen Basismaterialien (Aluminium, Magnesium,
Edelstahl, Polymeren), die mit Nanopartikeln, Nanofasern oder Nanokristallen verstärkt
sind, eingesetzt. So können beispielsweise Nanopartikelversträkte bzw. mit Nanofüllstoffen versehene Polymere überall eingesetzt werden, wo bisher Kunststoffe eingesetzt werden, beispielsweise bei der Innenausstattung von Fahrzeugen19. Es wird auch
an Kunststoffscheiben, z.B. auf Polycarbonatbasis, geforscht, die die Glasscheiben
ersetzen können. Auch im Antriebssektor wird faserverstärkten Nanopolymeren mittelfristig ein großes Potential zugeschrieben. Durch den Einsatz von nanokeramischen
Komposit-Materialien ergeben sich neue Konstruktionsmöglichkeiten für die innere
Struktur von Verbrennungsmotoren und die Beschichtung ihrer Komponenten (z.B.
verschleißfeste mechanische Teile wie Zylinder, Kolben, Lager durch Carbidbeschichtungen). Eine weitere Innovation sind Kohlenstoff-Nanoschäume bis zu deren Anwendungsreife allerdings noch größerer Forschungsbedarf gesehen wird (siehe ITAS
(2008)).
Ein generelles Problem bei den Nanokompositen sind die bisher noch sehr hohen
Preise.
Bionik
In der Bionik wird versucht, evolutionsoptimierte Problemlösungen, Konstruktionen,
Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme mit wissenschaftlichen
Mitteln zu analysieren und die gewonnenen Erkenntnisse auf technische Systeme zu
übertragen. Ein Beispiel biologisch inspirierter Leichtbaustrukturen sind neu entwickelte
Faserverbundwerkstoffe. Sie sind nach dem Sandwichprinzip von Pflanzenhalmen
(Winterschachtelhalm und Pfahlrohr) aus Hartschaumstoff und Glasfasergewebe aufgebaut und zeichnen sich durch geringes spezifisches Gewicht, hohe Biegesteifigkeit
und Knickfestigkeit, ausgeprägte mechanische Belastbarkeit und Dämpfung aus. Als
Einsatzbereiche kommen Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugbau, Bauwesen, Gerätebau und Medizintechnik (Prothetik) in Frage. Ein anderes Beispiel sind gewichtsredu-
19 Siehe hierzu und zum folgenden VDI-Technologiezentrum (2004).
13
zierte Autoreifen (z.B. bei BMW), die sich in Bezug auf die Materialverteilung am Vorbild der Kraftübertragung von Katzenpfoten orientieren (siehe ITAS (2008)).
Strukturkeramiken
Technische Keramiken teilen sich in Strukturkeramiken und Funktionskeramiken auf.
Kaum eine andere Werkstoffgruppe bietet so viele nützliche Eigenschaften für Anwendungen wie Keramiken (siehe Rühle et al. (2000)). Erfolgsversprechende technische
Entwicklungen basieren auf der Entdeckung neuer Verbindungen und neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften. Strukturkeramiken umfassen sowohl Oxide als
auch Nichtoxide, wie Nitride und Carbide. Vorteile von Keramiken gegenüber Metallen
sind gute Bruchfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und eine meist deutlich
geringere Dichte. Ein gravierender Nachteil ist die Sprödigkeit (äußerst geringe plastische Verformbarkeit), wodurch es zu spontanem Bruchversagen kommen kann. Anwendungsmöglichkeiten für massive Strukturkeramiken sind Dichtungen, Ventile und
Filter. Beschichtungen aus strukturkeramischen Werkstoffen kommen als thermische
Schutzschichten z.B. in der Energietechnik vor.
Weitere Leichtbauoptionen bestehen auch durch den stärkeren Einsatz von Polymerwerkstoffen und anderen Leichtmetallen bzw. dem Multi-Material-Design (siehe Klein
(2002).
Metallische Hohlkugeln
Hochporöse Strukturen sind hervorragend für den Leichtbau geeignet. Bei der Herstellung von metallischen Hohlkugeln werden kleine Kugeln aus expandiertem PolystyrolHartschaum (Styropor) mit Metallpulver beschichtet und so erhitzt, dass sich einerseits
der Kunststoff verflüchtigt und andererseits das Metallpulver zu einer Hohlkugel verfestigt. Sie haben einen Durchmesser von 0,5 bis 10 mm, wobei ihre Wandstärke zwischen 10 und 500 µm liegt. Die Hohlkugeln lassen sich miteinander verkleben und bilden schließlich im Verbund einen leichten Konstruktionswerkstoff, der sich sowohl
durch eine hohe Reproduzierbarkeit im Strukturaufbau, als auch durch eine große Flexibilität in den mechanischen Eigenschaften auszeichnet.
Leichtbau durch numerische Analysemethoden
Um Entwicklungszeiten zu sparen und Fehlschläge zu vermeiden, werden vermehrt
Computermodelle zur Simulation und Optimierung von Werkstoffen und Formgebung
eingesetzt20. Allerdings ist der Markt bei weiten noch nicht gesättigt21.
20 Siehe beispielsweise Schmidt (2000), Melchinger et al. (2003), Bullinger (2007), Wiedemann
(2007) oder BMWi (2007).
14
In BMWi (2007) wird angegeben, dass mit Modellen zur Simulation von biologischen
Prozessen eine Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen und durch leichteres
Produktdesign erhebliche Möglichkeiten der Material- und Energieeinsparung in sehr
unterschiedlichen Branchen besteht. Vorwiegend werden sie derzeit in der Automobilbranche zur Optimierung von Gussteilen eingesetzt. In der Regel sind Gewichtseinsparungen von wenigstens 15% zu erwarten (siehe BMWi (20007)). Da die Modelle noch
aufwendig und teuer sind bestehen Ansätze vereinfachte und kostengünstigere Rechenverfahren zu entwickeln.
Leichtbau in der Produktion
In der Vordringlichen Aktion innovativer Leichtbau für das Rahmenkonzept Forschung
für die Produktion von morgen wurden im Produktionsbereich die Leichtbauansätze im
Detail analysiert22. Bei hochdynamischen Maschinen geht es um steife und gleichzeitig
massearme Konstruktion von Bearbeitungseinheiten, Vorrichtungen, Werkzeugen und
Handhabungssystemen. Bei bewegten Maschinenelementen ist ein Strukturleichtbau
durch Reduzierung der zu bewegenden Komponenten, eine optimierte Kräfteeinleitung
und Formgebung mit Ziel eines geringen Werkstoffeinsatzes und die Entwicklung neuer Werkstoffe gefragt. Im Bereich des Vorrichtungsbaus und Spanntechnik geht es im
Wesentlichen um den Einsatz von Leichtbaumaterialien – so wurde am Beispiel einer
Clinch-Zange eine 85%ige-Gewichtsreduzierung von 180 kg auf 24 kg erreicht23. Weiterhin spielen die oben bereits aufgeführten Leichtbaumaterialien eine wichtige Rolle
1.1.3
Kritische Entwicklungshemmnisse
Die wesentlichen Hemmnisse für die weitere Verbreitung liegen in den höheren Kosten
für Leichbaumaterialien, an den oftmals fehlenden Recyclingverfahren und bei manchen Werkstoffen in der Rohstoffknappheit. Weiterhin ist Leichtbau ein multidimensionales Optimierungsproblem. Die gesamten Materialeigenschaften (wie Zugfestigkeit,
Dauerschwingfähigkeit und Verarbeitbarkeit) müssen in der Summe optimiert werden.
Es muss eine ganzheitliche Betrachtung von der Werkstoffentwicklung über Fertigungs- und Fügeverfahren hin zur Produktentwicklung und Recycling erfolgen. Die
Entwicklung neuer Materialien und Leichtbaustrategien ist i.d.R. kostenintensiv und die
Erfolgsaussichten sind vage.
21 Siehe Bullinger (2007)
22 Siehe Schmidt (2000).
23 Siehe Schmidt (2000)
15
Die Treiber für einen Leichtbau sieht man dabei nicht nur im Verkehrssektor, sondern
auch im Maschinen- und Anlagenbau, im Bauwesen und in der Medizintechnik. In diesen Branchen spielt jedoch das edle Aussehen oder die gute Biokompatibilität manchmal eine größere Rolle als die Leichtbaueigenschaften.
1.1.4
Relevanz öffentlicher Förderung
Das Thema Materialsubstitution und Leichtbau ist sehr breit angelegt und die einzelnen
angesprochenen Themenfelder befinden sich in sehr unterschiedlichen Entwicklungsstadien. In VDI (2007) wurden detailliert die Innovationshemmnisse in der Werkstoffforschung und –entwicklung untersucht. Wesentliche Erkenntnis ist das ein hohes wirtschaftliches Risiko vorliegt. Dies ist begründet in hohen Entwicklungskosten bei vagen
Erfolgsaussichten. Weiterhin fehlen oftmals die ökonomischen Anreize für Werkstoffentwickler, weil diese nur im geringen Umfang später am Return on Investment
profitieren. Die Bereitschaft für die Vergabe von Risikokapital ist in Deutschland generell gering ausgeprägt. Gerade die Materialforschung und –entwicklung leidet an unzureichenden Finanzierungsquellen.
Ein weiterer Problembereich für diesen Bereich stellen die schwierigen gesetzlichen
Rahmenbedingungen (lange Genehmigungszeiten, bestehende Gesetze und Normen)
dar. Es existieren hohe Markteintrittsbarrieren wegen mangelnder Bereitschaft des
Einsatzes von neuen Materialen. Die Evaluation von verschiedenen Projekten hat ergeben, dass sich erfolgreiche Projekte durch Konsortienbildung zwischen Forschung
und Industrie (durchaus mit Wettbewerbern) und langfristiger Planung in der vorwettbewerblicher Phase auszeichnen24. In National Research Council (2001) wurden verschieden öffentliche F&E-Programme des amerikanischen Department of Energy
(DOE) in den USA unter den Aspekten einer Kosten-Nutzen-Analyse evaluiert, wobei
Programme im Leichtbaubereich von Automobilen gut abgeschnitten haben.
Somit ist die Relevanz an öffentlicher F&E-Forschung in diesem Themenfeld gegeben.
Tabelle 1.1:
Begründung der Relevanz öffentlicher Forschungsförderung
Rechtfertigung öffentlicher Forschungsförderung gegeben aufgrund…
… technologischer Forschungs- und Entwicklungsrisiken
Ja
Nein
… wirtschaftlicher Forschungs- und Entwicklungsrisiken
Ja
Nein
… gravierender Preisrisiken
Ja
Nein
24
Siehe VDI (2007).
16
… langer Vorlaufzeiten
1.1.5
Ja
Nein
Detaillierte Bewertung des Technologiefeldes
Aufgrund der mit dem Thema Leichtbau verbundenen Forschungs- und Entwicklungsrisiken wurde dieses Technologiefeld als relevant für die Forschungsförderung eingestuft. Daher erfolgt eine detaillierte Bewertung.
1.1.5.1
Kriterium 4: Potenziale
Das Thema der Relevanz dieses Themenfeldes für die Energieforschung erschließt
sich insbesondere bei der Identifikation der Masse an hergestellten Gütern in Deutschland: Allein 16 energieintensiv hergestellte Grundstoffe wiegen als Produkte knapp 130
t und verursachen in der Herstellung mehr als 160 Mio. t CO2 pro Jahr (an direkten und
indirekten Emissionen). Sie müssen hergestellt und transportiert werden. Weiterhin ist
auch die bewegte Masse (nur Leergewichte abgeschätzt von Fahrzeugen, Flugzeugen
und Schiffen) im Verkehrssektor in Deutschland mit rund 65 Mio. t imposant. Und der
Energieverbrauch in diesem Sektor hängt wesentlich von der Masse ab. So sind beispielsweise bei Straßenfahrzeugen der Roll-, Beschleunigungs- und Steigungswiderstand masseabhängig, einzig der Luftwiderstand ist es nicht. Betrachtet man dann den
derzeit hohen Anteil dieses Sektors am Endenergieverbrauch mit rund 30 % und an
den CO2-Emisssionen mit mehr als 20% so wird deutlich, dass hier Leichtbaustrategien
von überragender strategischer Bedeutung bei energiewirtschaftlichen Strategien und
umweltpolitischen Zielen sind.
Die Bedeutung des Leichtbaues innerhalb einer Energie- und Ressourcenstrategie wird
in einer Reihe an Studien dargelegt (Rohn et a. (2008), IEA (2008)).
17
Nachfragesektoren
EndenergieBewegte Masse (Mio. t) verbrauch (PJ)
Energieintensive Grundstoffe
Hergestellte Masse (Mio t)
128
(163 Mio. t CO₂)
Stahl 53
Zement 32
Papier 22
Chemische Ind. 16
Glas 4
NE-Metalle 2
Verkehr
≈ 65
(≈ 180 Mio. t CO₂)
Verkehr
2600
Maschinenbau
Verpackungen
Infrastruktur
…
Abbildung: Hergestellte Masse von 16 energieintensiven Grundstoffen und bewegten
Massen in Deutschland pro Jahr (2006/2007)
Leichtbau im Automobilsektor
Aufgrund seiner hohen Umweltrelevanz kommt dem Fahrzeugsektor in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen von Leichtbaustrategien eine besondere Bedeutung zu.
Durchschnittlich fallen ca. 80 % des gesamten Energieverbrauchs über den Lebenszyklus eines PKW beim Kraftstoffverbrauch während der Nutzungsphase an. Dieser ist
wesentlich durch das PKW-Gewicht determiniert und deshalb spielt ein Leichtbau
durch konstruktive Maßnahmen oder Materialsubstitution eine bedeutende Rolle. Ausgehend von einem Fahrzeuggewicht von 1000 kg wird eine Verbrauchsminderung von
0,3 bis 0,6 Liter pro 100 km und 100 kg Gewichtseinsparung erzielt25. Durch konsequente Leichtbaustrategien - insbesondere über konstruktive Maßnahmen beim Karosseriebau aus Stahl und die Stahlsubstitution durch Leichtmetalle wie Aluminium oder
durch Kunststoffe - lässt sich das Leergewicht eines heutigen PKW um ca. 40 % reduzieren. Hierdurch kann der Kraftstoffverbrauch während der PKW-Nutzung zwischen
17 und 34 % reduziert werden26.
Ein Stahlleichtbau, wie er in verschiedenen Praxisprojekten bereits realisiert wurde,
führt zu deutlich sinkenden Primärenergieverbräuchen im PKW-Bereich. Eine konsequente Umsetzung der Leichtbaupotenziale kann bis zum Jahre 2020 rund 7 % an
Primärenergie einsparen (102 PJ/Jahr bei 1 421 PJ an jährlichem Gesamtenergieeinsatz) und bis zum Jahre 2030 liegt die Einsparung in der Größenordnung von 10 %
25 Siehe Jochem et al. (2004).
26 Siehe Jochem et al. (2004)
18
(124 PJ bei 1 164 PJ Gesamtenergieeinsatz). Aber auch in anderen Anwendungsfeldern für Stahl spielt Leichtbau eine Rolle. Im Bauwesen werden zunehmend einfache
Stahlqualitäten durch innovative Leichtbaustähle ersetzt, u.a. um Material einzusparen 27 . Zu beachten ist allerdings, dass durch höhere Ansprüche an Sicherheit und
Leistung die Gewichtseinsparungen durch Leichtbau in der Vergangenheit oft kompensiert wurden.
Auch Leichtbaustrategien durch Substitution von konventionell eingesetztem Stahl
durch Aluminium bieten bei schweren PKW mit hoher Fahrleistung sehr signifikante
energetische Einsparpotenziale. Bei mittleren und kleinen PKW und durchschnittlicher
Fahrleistung führt ein konsequenter Aluminium-Leichtbau in den ersten 15 bis 20 Jahren zu einem nicht unerheblichen Anstieg des jährlichen Gesamtprimärenergieverbrauches. Dies liegt am Energieaufwand bei der Primäraluminiumproduktion, die zu Beginn
u.a. wegen fehlendem recycelbaren Aluminium überwiegend über die Primärroute (siehe Jochem et al. (2004)) erfolgen muss. Erst später mit zunehmend anfallendem Aluminiumschrott sinkt der Primärenergieverbrauch, dann allerdings deutlich und schnell
ab. Dies liegt an dem deutlich geringeren Energieeinsatz bei der Sekundärroute für die
Aluminiumherstellung. Bei der Gestaltung von Klimapolitiken ist dieser Effekt der "Investition in die Zukunft" entsprechend zu diskutieren.
Gegenüber einer Stahlleichtbaustrategie weist eine Aluminiumleichtbaustrategie bei
einem "Durchschnitts-PKW" erst dann relevante Vorteile auf, wenn die dadurch erzielbaren Gewichtseinsparungen deutlich über die heute üblicherweise unterstellten Werte
hinausgehen. Bei der Bewertung von Aluminiumleichtbauweisen ist weiterhin zu berücksichtigen, dass der prognostizierte Trend zu kleineren, leichteren PKW und zu geringeren jährlichen Fahrleistungen aufgrund der demographischen Entwicklung führt,
was eine "energetische Amortisation" der höheren Energieaufwendungen bei der Produktion tendenziell erschwert.
Nach einer neuen Studie der OECD (2008) führt eine Leichtbaustrategie auf Stahl- und
Aluminiumbasis im Jahre 2050 zu einer Gewichtsreduzierung von 25% und spart rund
10% des Kraftstoffes ein. Damit einher geht eine Kostenerhöhung von 1000 US$ pro
Fahrzeug.
Die untersuchten Stahl- und Aluminiumleichtbaustrategien führen nach ersten Einschätzungen nur zu geringfügig höheren Kosten. Weil die Kraftstoffherstellung und der
Kraftstoffverbrauch für viele Umweltauswirkungen des PKW-Sektors die bestimmenden
Größen sind, tragen Leichtbaustrategien auch zur Entlastung bei einer ganzen Reihe
von Umweltauswirkungen des PKW-Sektors bei. Dies betrifft auch die Entwicklung
27 Siehe zu Bespielen Schmidt (2000), ITAS (2008) und Ritthoff et al. 2007).
19
anderer Leichtbaustrategien wie den verstärkten Einsatz von Kunststoffen oder MultiMaterial-Strategien.
Tabelle 1.2:
Einschätzung der realisierbaren Einsparpotenziale durch Leichtbau im
PKW-Sektor
Leichtbau PKW
Jahr
Deutschland
2007
Weltweit
2020
2030
2050
Primärenergieeinsparung
[TWh/Jahr]
> 40
> 50
CO2-Einsparung [Mio.
t/Jahr]
> 12
> 17
2007
2020
2030
2050
> 70
>
2000
>
3000
>
5000
> 24
> 600
>
1000
>
1700
Quellen: Eigene grobe Abschätzungen auf der Grundlage der oben angeführten Studien und Zahlen
Leichtbau bei LKW-Sattelzügen
Herkömmliche LKW-Sattelzüge aus Aluminium wiegen leer ca. 13 t. Beim CFK-LKW
bestehen Chassis, Fahrwerk, Fahrerhaus sowie eine Reihe weiterer Teile aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff, wodurch 5,5 bis 6 t Leergewicht eingespart werden können28. Gleichzeitig wird eine höhere Zuladung ermöglicht. Bei einem unterstelltem jährlichen Wachstum der CFK-LKWs von 40 % können im Jahr 2020 (Marktanteil 2 %)
rund 39.000 Tonnen CO2 und 0,62 PJ Primärenergie eingespart werden. Für 2030
(Marktanteil 49 %) lassen sich Einsparungen in Höhe von 1,12 Mio. t CO2 und 18 PJ
Primärenergie prognostizieren. Die möglichen Effizienzsteigerungen sind damit noch
lange nicht ausgereizt.
Leichtbau im Flugverkehr
Wird nachgereicht
Leichtbau im Behälterglassektor
Der Behälterglassektor beliefert zu etwa 70 % die Getränkeindustrie. Deshalb sind
Fragen der Primärenergieeinsparungen durch Materialsubstitution gerade für die Getränkeverpackungen von großem Interesse. In den letzten 40 Jahren (1955-1998) hat
28 Siehe EMO Hannover (2007) und zu weiteren Zahlen LKW siehe DIW (2009).
20
sich das durchschnittliche Gewicht von Hohlglas-Produkten um 44 % reduziert. Die
hauptsächliche Gewichtsreduzierung wurde in den letzten 10 bis 15 Jahren aufgrund
neuer Technologien wie zum Beispiel der Beschichtungstechnologie (Leichtglas) erzielt. Einsparpotenziale sieht der Verband bei Softdrinks und manchen Bierflaschen,
allerdings ist Leichtglas noch teurer als herkömmliches Glas. Bei künftigen Gewichtsreduzierungen für Getränkeverpackungen aus Glas zeigen sich im Wesentlichen zwei
Trends. Eine Entwicklung besteht darin, durch einen dünneren Flaschenboden und
fließendere Formgebung geringere Wandstärken zu erreichen. Im Bereich der 1-LiterEinweg-Glasflasche ist somit eine Reduzierung des Gesamtgewichts von derzeit ca.
400 g auf bis zu 290 g denkbar. Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung besteht darin, die Flaschenaußenseite mit Polymeren zu beschichten. Auf diese Weise
kann die Bruchfestigkeit der Flasche erhöht und somit die eingesetzte Glasmenge reduziert werden. Auf dem Markt werden zurzeit schon beschichtete Glasflaschen mit
einem Gewicht von 330 g angeboten. Ein Vorteil der beschichteten Glasflasche gegenüber PET-Mehrwegflaschen ist, dass bestehende Anlagen zur Flaschenreinigung weiter genutzt werden können und nicht in aufwendige Sensorik zur Aussortierung von zu
stark verschmutzten PET-Flaschen investiert werden muss. Ein weiter Vorteil ist, dass
die guten Barriereeigenschaften der Glasflasche erhalten bleiben. Das niedrige Gewicht der PET-Flaschen von 50-70 g für die Einliterflasche ist auch mit der Leichtglasflasche nicht zu erreichen.
Leichtbau beim Maschinen- und Werkzeugbau
Hier liegen bisher keine Potenzialstudien vor, lediglich Einzelbeispiele werden genannt,
die darauf hinweisen, dass ein größeres Potenzial hier vorliegen könnte. In EnergieEffizienz (2009) wird angegeben, dass der Energieverbrauch mit rund 20% der gesamten Lebenszykluskosten in der Nutzungsphase einer Werkzeugmaschine bedeutend
ist. Dort werden auch verschiedene Beispiele über erhebliche Gewichtseinsparpotenzialen bei verschiedenen Werkzeugen angeführt.
1.1.5.2
Kriterium 5: Abhängigkeit von Infrastrukturen
Es liegen keine relevanten Abhängigkeiten vor.
21
1.1.5.3
Tabelle 1.3:
Kriterium 6: Kosteneffizienz
Jährliche Kosteneinsparpotenziale durch Leichtbau im PKW-Bereich
(eigene Berechnungen abgeleitet aus IEA (2008) Zahlenangaben zum
Leichtbau Stahl und Aluminium ohne Berücksichtung von Pönalen aus
der CO2-Grenzwertüberschreitung oder anderen Verkehrswirtschaftlichen Instrumenten)
Einfluss auf die Kosten im PKW-Sektor
>100%
>60% bis
≤100%
>30% bis
≤60%
Erhöhung der Kosten um…
>0% bis
≤30%
ODER
0%
>0% bis
≤30%
>30% bis
≤60%
>60% bis
≤100%
>100%
Verringerung der Kosten um…
2020
Szenario 1:
Moderat
2030
2050
2020
Szenario 2:
Klima
2030
2050
2020
Szenario 3:
Ressourcen
2030
2050
Anmerkung: Es sollen die Einsparungen im Bezugsjahr berechnet werden, nicht die kumulierten Einsparungen bis zum Bezugsjahr.
1.1.5.4
Kriterium 7: Pfadabhängigkeit und Reaktionsfähigkeit
Pfadabhängigkeiten ergeben sich insbesondere durch den Aufbau von neuen Fabrikationsanlagen für Werkstoffe.
1.1.5.5
Kriterium 8: Beitrag zur Energieeffizienz
Hier liegen keine verlässlichen Zahlen und Studien vor. Zu Zahlen in Einzelbereichen
wird auf Kapitel 1.1.5.1 verwiesen. Die folgenden Abschätzungen geben nur sehr grobe anhaltswerte aus Plausibiltätsüberlegungen und den Potenzialen in den einzelnen
Bereichen wieder.
Tabelle 1.4:
Jährlich vermiedener Primärenergieeinsatz durch Leichtbau
Vermiedener Primärenergieeinsatz
Szenario 1:
Szenario 2:
Szenario 3:
22
durch Leichtbau
Moderat
Klima
Ressourcen
2020
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
2030
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
2050
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
< 100 PJ
100-300 PJ
> 300 PJ
Anmerkung: Es sollen der vermiedene Primärenergieeinsatz im Bezugsjahr berechnet werden,
nicht der kumulierte vermiedene Primärenergiensatz bis zum Bezugsjahr.
Wenn möglich bitte auch angeben, welcher Primärenergieträger eingespart wird.
1.1.5.6
Kriterium 9: Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz
Hier gilt das gleiche wie beim Beitrag zur Energieeffizienz.
Tabelle 1.5:
Jährlich vermiedene CO2-Emissionen durch Leichtbau
Vermiedene CO2-Emissionen durch
Leichtbau
Szenario 1:
Moderat
Szenario 2:
Klima
Szenario 3:
Ressourcen
2020
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
2030
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
2050
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
< 15 Mt
15-50 Mt
> 50 Mt
Anmerkung: Es sollen die vermiedenen Emissionen im Bezugsjahr berechnet werden, nicht die
kumulierten vermiedenen Emissionen bis zum Bezugsjahr.
1.1.5.7
Kriterium 10: Inländische Wertschöpfung
Europa als eines der führenden Automobil- sowie Anlagenbauerregion ist elementar
von neuen Entwicklungen in diesen Sektoren betroffen (Arbeitsplätze, BSP-Entwicklung). Der Automobilsektor ist für die deutsche Volkswirtschaft eminent wichtig. So arbeiten über 777.000 Beschäftigte direkt in der Automobilindustrie.
23
Tabelle 1.6:
Inländische Wertschöpfung beim Leichtbau
Inländisches Produktionsvolumen
Leichtbau
Szenario 1:
Moderat
Szenario 2:
Klima
2007
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
2020
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
2030
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
< 1 Mia. €2005/a
1-3 Mia. €2005/a
> 3 Mia. €2005/a
1.1.5.8
1.1.6
Szenario 3:
Ressourcen
Sonstige Aspekte
F&E-Empfehlungen für die öffentliche Hand
Ziel der Leichtbauweise ist die Senkung des Bedarfs an Energie und Rohstoffen durch
Gewichtseinsparung. Leichtbau wird realisiert durch ein Zusammenspiel von integrierten Konstruktionsprinzipien, optimierter Bauteilauslegung, angepasste Herstellungsverfahren und zweckgerechter Werkstoffauswahl.
Effiziente und wirtschaftliche Leichtbaukonzepte gewinnen gerade vor dem Hintergrund
kontinuierlich steigender Rohstoff- und Energiepreise eine immer größere Bedeutung.
Im Fahrzeug- oder Flugzeugbau entlastet jedes eingesparte Kilogramm Gewicht die
Umwelt und erhöht die Treibstoffeinsparungen. Der Fahrzeugbau ist derzeit der wichtigste Abnehmer für Leichtbauwerkstoffe. Allerdings gibt es auch signifikante Leichtbaupotenziale in anderen Bereichen, was häufig übersehen wird. Im Maschinenbau
kann vielfach schneller und präziser produziert werden, wenn die bewegte Masse reduziert wird. Aber auch in der Verpackungsindustrie (z.B. im Behälterglasbereich) und
im Bauwesen (z.B. im Brückenbau oder Hochbau) spielt Leichtbau eine zunehmend
wichtigere Rolle.
Die wesentlichen Hemmnisse für die weitere Verbreitung liegen in den höheren Kosten
für Leichbaumaterialien, an den oftmals fehlenden Recyclingverfahren und bei manchen Werkstoffen in der Rohstoffknappheit. Weiterhin ist Leichtbau ein multidimensionales Optimierungsproblem. Die gesamten Materialeigenschaften (wie Zugfestigkeit,
Dauerschwingfähigkeit und Verarbeitbarkeit) müssen in der Summe optimiert werden.
Es muss eine ganzheitliche Betrachtung von der Werkstoffentwicklung über Ferti-
24
gungs- und Fügeverfahren hin zur Produktentwicklung und Recycling erfolgen. Die
Entwicklung neuer Materialien und Leichtbaustrategien ist i.d.R. kostenintensiv und die
Erfolgsaussichten sind vage.
Wegen des hohen Energieverbrauchs und der Umweltbelastungen sollte der Fokus im
Leichtbau auf dem Verkehrssektor liegen (Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugindustrie).
Durch Leichtbau kann man in den nächsten Dekaden 5 bis 10 % des Primärenergieverbrauches dieses Sektors (80 bis 100 PJ) und 10 bis 20% des Kraftstoffverbrauches
in Deutschland einsparen. Dies ist verknüpft mit einer entsprechenden Senkung der
Treibhausgasemissionen und anderer Umweltbelastungen. Interessant kann auch der
Maschinen- und Anlagenbau (Leichtbau bei schnellbeschleunigten und bewegten Massen) sein, hier fehlen aber Potenzialstudien. Da die Entwicklung und Verwendung neuer Materialien hohen wirtschaftlichen Risiken ausgesetzt ist, ist eine öffentliche F&EFörderung in diesem für die Erreichung wichtiger energiepolitischer Ziele so wichtigen
Themenfeld unstrittig.
Wesentlich für die Ausrichtung der öffentlichen F&E-Forschung ist eine ganzheitliche
Orientierung entlang der Wertschöpfungskette. Neue Materialien und Materialeigenschaften müssen anforderungsorientiert entwickelt werden und von vornherein in einem ganzheitlichen Ansatz aller nachfolgenden Aspekte der Verarbeitung einbezogen
werden. Dazu zählen eine optimale Materialausnutzung, ein optimaler Materialmix,
angepasste Konstruktions-, Fertigungs-, Montage- und Recyclingprozesse. Um energetisch-optimierte Lösungen zu erhalten ist eine ganzheitliche und dynamische Bilanzierung des Energieaufwandes von Gewinnung über Herstellung und Nutzung und
Deponierung/Recycling notwendig. Der oftmals höhere Energieaufwand während der
Produktion bei vielen Leichtbauwerkstoffen muss durch den geringeren Energieaufwand während der Nutzung und den energetischen Vorteilen beim Recyceln mehr als
kompensiert werden. Die Bewertungsansätze müssen über die rein statischen LifeCycle-Analysen herausgehen, weil für viele Umwelteffekte wie dem Treibhauseffekt der
Zeitpunkt des Energieverbrauch und der Emissionsentstehung ebenfalls entscheidend
ist. Da Materialeffizienz und Energieeffizienz oftmals, aber nicht immer Hand in Hand
gehen, stellt sich die Forderung nach einer integrierten Energie- und Ressourceneffizienzstrategie.
Innerhalb der Werkstoffe ist ein Schwerpunkt auf die konventionellen metallischen
Werkstoffe zu legen, weil diese für den gesamten Energieverbrauch in Deutschland
eine wichtige Rolle spielen und weiterhin wegen ihrer günstigen Materialeigenschaften
künftig auch noch spielen werden. Zusätzlich sind hier Leichtbauansätze in der Regel
nicht mit relevant höherem Energieaufwand und Kosten verbunden. Wichtige F&EThemen sind die Massenreduzierung durch neue höherfeste Stahlsorten (z.B. hoch-
25
manganhaltige TRIP/TWIP-Stähle), neue Werkstoffe/Halbzeuge (z.B. Hybrid Tailored
Blanks, z.B. Verbundelemente aus Stahl und Aluminium) und neue Fertigungs- und
Fügeverfahren (z.B. Laserschweißen, Innenhochdruckumformen). Besonderes Augenmerk ist darauf zu legen, dass bei höherfesten Stahllegierungen die Ressourcenbelastung nicht steigt und Recyclingverfahren sichergestellt werden. Die Entwicklungen
Legierungselemente auf der Mikrostrukturebene in das Stahlgefüge einzusetzen senken den Legierungsanteile und stellen somit ein wichtiges Forschungsgebiet dar.
Interessant ist auch der Einsatz neuer metallischer Leichtbauwerkstoffe und Legierungen (u.a. Metallschaum, Aluminiumschaum, Al-Sc-Legierungen, Al-Mg-ScLegierungen, Faser-Metall-Laminate). Hier ist aber die oben geforderte ganzheitliche,
dynamische Energiebilanzierung notwendig. Stoffkreisläufe sind oftmals offen und es
sind effiziente Recyclingverfahren zu entwickeln, da es sich teilweise um energieintensiv-hergestellte Rohstoffe mit begrenzter Reichweite (wie Scandium) handelt. Generell
gilt, dass mit einem Leichtbau aufgrund der Materialvielfalt, mehr Legierungsmaterialen
und den Verbundwerkstoffen die Anforderungen zur Erreichung bestimmter Recyclingquoten steigen.
F&E-Schwerpunkte aus energetischer Perspektive sind auch bei neuen Verbundwerkstoffen, Smart Materials, Nanokompositen, Aerogelen, Strukturkeramiken und Ansätze
aus der Bionik zu finden. Die Ansätze hier sind sehr vielfältig.
Zusätzlich sollte im Fokus der öffentlichen F&E auch die Entwicklung von neuen,
preiswerten, numerischen Modellen liegen, um Schwachstellen bereits im Entwicklungsprozess von Werkstoffen und bei neuen Fertigungsverfahren zu erkennen und zu
beseitigen. Damit kann man Werkstoffe und Bauteile mit hoher Stabilität und geringerem Materialeinsatz entwickeln.
1.1.7
Quellen
Angerer, G.; Erdmann, L.; Handke, V.; Lüllmann, A.; Marscheider-Weidemann, F.;
Marwede, M.; Scharp, M. (2009): Rohstoffbedarf für Zukunftstechnologien - Einfluss des branchenspezifischen Rohstoffverbrauchs in rohstoffintensiven Zukunftstechnologien auf die zukünftige Rohstoffnachfrage, Studie im Auftrag des
Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, bearbeitet durch das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI und Institut
für
Zukunftsstudien und Technologiebewertung IZT, erschienen im IRB-Verlag
BMBF (1999): Rahmenkonzept – Forschung für die Produktion von morgen, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), BMBF: Bonn
26
BMBF (2003): Rahmenprogramm – Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft – WING, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), BMBF:
Bonn
BMBF (2005): Werkstoffwelten - Entdeckungen im Kosmos der Stoffe, BMBF: Bonn,
Berlin
BMU (2009): Umwelt – Sonderteil: Umweltforschungsplan 2009, Bundesministerium für
Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, BMU: Berlin
BMWi (2007): Studie zur Konzeption eines Programms für die Steigerung der Materialeffizienz in mittelständischen Unternehmen, Abschlussbericht erstellt durch
Arthur D. Little, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, http://www.materialeffizienz.de/was-istmaterialeffizienz/studien-zum-impulsprogramm
Bullinger, H.-J. (Hrsg.) (2007): Technologieführer – Grundlagen – Anwendungen –
Trends, Springer Berlin Heidelberg New York
Bundesregierung (2002): Perspektiven für Deutschland: Unsere Strategie für eine
nachhaltige
Entwicklung,
Berlin,
http://www.nachhaltigkeitsrat.de/derrat/strategie/strategie-2002/
DIW (2009): Verkehr in Zahlen, DIW: Berlin
EMO Hannover (2007): CFK - der Stoff, aus dem die Leichtgewichte sind, EMO Hannover 2007: http://www.emo-hannover.de/19378?pm=emo07-117-d
Energie-Effizienz (2009). Leichte Werkzeuge sparen Energie, Energie-Effizienz Magazin 01 (2009)
Enhag, P. (2004): Encyclopedia of the Elements. Wiley-VCH Verlag, Weinheim
Fewster, M. (2005): "Submission - Inquiry into developing Australia's non-fossil fuel
energy industry",
Eaglefields Holdings Pty Ltd,
6.
Mai
2005,
http://www.aph.gov.au/House/committee/isr/uranium/subs/sub18.pdf.
Honsel, G. (2008): Jedes Gramm zählt, in Technology Review, September 2008, S. 5863
IEA (2008): Energy Technology Perspectives – Scenarios and Strategies to 2050, International Energy Agency (IEA), OECD/IEA: Paris
27
ITAS (2008): Roadmap Umwelttechnologien 2050, Zwischenbericht für das BMBF,
bearbeitet durch das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse
(ITAS) des Forschungszentrums Karlsruhe und des Fraunhofer Institut für Chemische
Technologie
(ICT),
ITAS:
Karlsruhe,
www.itas.fzk.de/deu/lit/2008/scua08a.pdf
Jochem, E.: (Hrsg.) (2004): Steps Towards a Sustainable Development: A White Book
for R&D of Energy-Efficient Technologies, Zürich: CEPE ETH Zürich
www.novatlantis.ch/fileadmin/downloads/200watt/Weissbuch.pdf
Jochem, E.; M. Schön et al. (2004): Werkstoffeffizienz. Einsparpotenziale bei Herstellung und Verwendung energieintensiver Grundstoffe. Fraunhofer IRB Verlag,
Stuttgart 2004.
Kainer, K.U. (Hrsg.). (1999): Magnesium - Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale;
Weinheim: Wiley-VCH, 1999.
Lemken, Th.; Liedtke, C.; Bienge, K.; Salzer, C. (2008): Stahl – ein Werkstoff mit Innovationspotenzial; Ergebnisse des Zukunftsdialogs Rohstoffproduktiivität und Ressourcenschonung, Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie: WuppertalMattheck, C. (1998); Design in der Natur – Der Baum als Lehrmeister, Rombach
Verlag Freiburg, 3. Auflage
Melchinger, A.; Schmitz, E-U. (2003): Schneller und effizienter in der Entwicklung
durch Simulation und Optimierung, Symposium „Simulation in der Produkt- und
Prozessentwicklung“, 5.-7. November 2003, Bremen
Oertel, D.; Grunwald, A. (2006); Potenziale und Anwendungsperspektiven der Bionik;
TA-Arbeitsbericht Nr. 108, Berlin
Prang, W.; Schneider, C. (2001): Automobile Leichtbauinitiativen der internationalen
Stahlindustrie; in: Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 7
Ritthoff,M.: Lietdke, Ch.; Merten, Th.: Der Werkstoff Stahl und seine Anwendung, Hintergrundpapier zum "Zukunftsdialog Rohstoffproduktivität und Ressourcenschonung", Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, Wuppertal,
www.ressourcenproduktivitaet.de/download.php?datei=src/downloads/Hintergrun
dStahl_21.01.08.pdf
28
Rohn, H.; Lang-Koetz, C.; Pastewski, N.; Lettenmeier, M. (2008): Ressourceneffizienzpotenziale durch Technologien, Produkte und Strategien - Input aus dem Arbeitspaket
1
zur
3.
Innovationskonferenz
"Faktor
X",
http://ressourcen.wupperinst.org/de/info/entwd/index.html?&beitrag_id=915&bid=
42&searchart=
Rühle, M.; Dosch, H.; Mittemeijer, E.; van de Voorde, M.H. (2000): European Whitebook on Fundamental Research in Materials Science, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
ISBN
3-00-008806-7Seilnacht-Lexikon
www.seilnacht.com/Lexikon/12Magnes.htm - 20k -
(2009).
Schmidt, A. (2000): Innovativer Leichtbau, Präsentation der Arbeitsergebnisse der Vordringlichen Aktion Innovativer Leichtbau, Arbeitskreistreffen "Strukturoptimierung"
am 28. Februar 2000
Scandium Information Center: Website www.scandium.org, Zugriff: 20.10.2008.
Seilnacht-Lexikon
(2009),
www.seilnacht.com/Lexikon/12Magnes.htm - 20k -
Seilnacht-Lexikon,
Statistisches Bundesamt 2002: Produzierendes Gewerbe – Kostenstruktur der Unternehmen des Verarbeitenden Gewerbes sowie des Bergbaus und der Gewinnung
von Steinen und Erden, Fachserie 4/Reihe4.3, Statistisches Bundesamt: Wiesbaden
USGS
Commodities
(2007):
Columbium
(Niobium).
Online:
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/niobium/colummcs07.pdf. Zugriff: 22.01.2008.
VDI (Hrsg.) (2007): Identifizierung von Innovationshemmnissen in der Werkstoffforschung und –entwicklung, Ergebnisse des Workshops am 20.09.2007 in Bonn,
VDI Technologiezentrum GmbH, im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung
und Forschung (BMBF), VDI Technologiezentrum: Düsseldorf
VDI Technologiezentrum (Hrsg.) (2004): Innovations- und Technikanalyse – Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt, Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, arkt, VDI Technologiezentrum: Düsseldorf
Velikonja, D. (2004): Visionen und innovative Lösungen in der Umformtechnik; in: Stahl
und Eisen 124 (2004), Nr. 8, Düsseldorf, S. 36-38.
29
WVM (2009): NE-Metalle Magnesium, WirtschaftsVereinigung Metalle, Mitteilung vom
25.März 2009, http://www.wvmetalle.de/welcome.asp?page_id=186&sessionid
Wiedemann, J. (2007): Leichtbau – Elemente und Konstruktion, Springer: Berlin Heidelberg New York
Herunterladen
Explore flashcards