Kapitel 7

Die Strömung zu innovativen Veränderungen

Elektromobilität ist ohne die Batterie nicht möglich. Doch Autos bestehen nicht nur aus dem Antrieb. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs erfordert die schrittweise Kombination aus Verbrennungsmotoren und Elektromotoren, die Entwicklung von komplexen Steuerungstechniken und eine drastische Veränderung der Bauweise. Die Autos von morgen werden anders aussehen.

Elektrischer Strom hat etwas Faszinierendes. Denn anders als Benzin oder Diesel kann man ihn weder sehen noch riechen. Er fließt einfach. Doch wie kann er Autos zum Fahren bringen? Elektromotoren wandeln Kraft, die durch Elektromagnetismus entsteht, in eine Drehbewegung um. Sie haben grundsätzlich einen fest mit dem Gehäuse verbundenen Stator und einen Rotor. Die Drehbewegung wird mithilfe wechselnder Magnetfelder eingeleitet. Diese überträgt der Rotor dann auf die Achse des Fahrzeugs. Es gibt allerdings sehr unterschiedliche Ausführungen von Elektromotoren. Bei Gleichstrommotoren beispielsweise wird der Polwechsel der Magnetfelder durch die Bewegung des Rotors selbst über Schleifkontakte erzeugt. In diesem Fall entsteht dann das Magnetfeld über die Rotorwicklung, durch die Strom von ständig wechselnder Polarität fließt: mal plus, mal minus. Doch die Schleifkontakte nutzen sich über die Zeit des Betriebes ab, was den Wirkungsgrad des Motors verringert.

Dieser Verschleiß lässt sich bei Drehstrommotoren vermeiden. Der Drehstrom aus der Steckdose mit seinen drei Phasen garantiert quasi ein „natürliches“ Drehfeld. Versorgt man die Statorwicklungen mit ihnen, entstehen umlaufend sich auf- und abbauende Magnetfelder, denen der Rotor dann folgt. Doch auch das hat seine Tücken. Die Batterien in Elektrofahrzeugen liefern nämlich Gleichstrom. Um die verschleißärmeren Drehstrommotoren nutzen zu können, sind zusätzliche Steuerelemente notwendig. Die sogenannten Wechselrichter wandeln die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung um.

Nach heutigem Stand der Technik werden in Elektrofahrzeugen vor allem synchron laufende Drehstrommotoren eingesetzt. Hier bewegt sich der Rotor synchron zum magnetischen Drehfeld des Stators. Diese Motoren zeichnen sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte aus. Dabei werden im Rotor zurzeit vorwiegend Dauermagneten eingesetzt. Diese sind aber relativ teuer. Das liegt an den Seltenen-Erden-Elementen, die für die Herstellung permanenter Magneten nötig sind. Die steigende Nachfrage verteuert diese erheblich. Einen Ausweg bietet jedoch die Magnetisierung des Rotors durch zusätzliche Stromzufuhr. Der verringert wiederum den Wirkungsgrad. Außerdem steigt der Regelbedarf durch elektronische Steuerelemente.

Diese werden unter dem Begriff Leistungselektronik zusammengefasst. Sie steuert aber nicht nur den Fluss des Stroms zur Antriebsmaschine, sondern sorgt auch für die Rückspeisung von Bremsenergie in die Batterie. Außerdem überwacht die Leistungselektronik den Ladestand der Batterie sowie die Temperatur des Motors und anderer wesentlicher Bauteile. Am wichtigsten ist aber, dass sie den sogenannten Fahrwunsch in die Steuergrößen des Motors verwandelt.

Die Leistungselektronik ist dabei wesentlich komplexer als der Motor selbst und braucht beispielsweise eine eigene Kühlung. Die Technik hat noch Entwicklungspotenzial. Heute kostet eine Leistungselektronik etwa doppelt so viel wie der Motor. Außerdem nimmt sie noch recht viel Platz ein. Deswegen arbeiten Forscher vor allem an der Reduzierung der Kosten und des Volumens. Experten gehen von einem Einsparpotenzial von 50 Prozent aus. Ein geringeres Volumen würde sie zudem leichter machen.

Mit Leichtigkeit zu mehr Reichweite und weniger CO2-Ausstoß

Überhaupt spielt das Gewicht eine entscheidende Rolle. Denn die Batterie macht das Fahrzeug schwer, was die ohnehin niedrigere Reichweite von Elektrofahrzeugen noch verringert. Deshalb kommt es darauf an, diesen Gewichtsnachteil in Elektrofahrzeugen auszugleichen. Das nutzt natürlich auch herkömmlichen Fahrzeugen.

100 Kilogramm weniger Gewicht sparen rund 0,3 Liter Benzin auf 100 Kilometern. Dies mag verhältnismäßig gering erscheinen. Doch auf ein Autoleben gerechnet kommen da einige Liter zusammen. Wenn es gelingt, das Gewicht deutlich zu reduzieren, verbessert das die CO2-Bilanz aller Autos erheblich. Das Gesamtgewicht eines durchschnittlichen Personenkraftwagens verteilt sich auf etwa 40 Prozent Karosserie, 25 Prozent Fahrwerk, 20 Prozent Ausstattung inklusive Elektrik und 15 Prozent Antrieb. Die Entwicklung der Gewichtsreduktion konzentriert sich also auf Karosserie und Fahrwerk, weil dort am meisten zu holen ist.

Das Zauberwort heißt Leichtbau. Darunter versteht man eine Konstruktionsphilosophie: Alle konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel müssen darauf ausgerichtet sein, die Masse eines Produkts zu reduzieren und seine Gebrauchsgüte zu erhöhen.

Der Stoff aus dem Weltraum

Eine der Lösungen: CFK. Der faserverstärkte Hochleistungskunststoff stammt ursprünglich aus der Weltraumforschung, wiegt weniger als Aluminium und hat trotzdem eine hohe Festigkeit. Im Rennsport wird das Material schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Experten gehen davon aus, dass sich mit ihm deutlich Gewicht sparen lässt. Außerdem rostet er nicht, weshalb aufwendige Lackierungen nicht nötig sind. Aber bisher kommt er nur in einzelnen Bauteilen zum Einsatz. Denn er ist extrem teuer.

Carbon kostet rund 50-mal so viel wie herkömmlicher Stahl. Das liegt an dem aufwendigen und langwierigen Produktionsprozess, bei dem zunächst Carbonfaserfäden hergestellt werden. Eine einzige Faser ist dabei dünner als ein menschliches Haar. Sie wird mit 50 000 anderen Fäden gebündelt und über einen Zeitraum von einigen Stunden gehärtet. Aus den Kohlefaserfäden lassen sich Matten weben, die zugeschnitten werden können. Um eine hohe Materialfestigkeit zu erreichen, werden in einem nächsten Schritt mehrere Matten übereinandergelegt, verklebt, geformt und ausgehärtet. Für alle diese Schritte ist ein hoher Energie- und Zeitaufwand nötig. Derzeit ist die maschinelle Verarbeitung des Stoffes noch nicht weit vorangeschritten, das meiste geschieht in Handarbeit.

Doch Besserung ist in Sicht. Branchenübergreifend arbeiten Unternehmen bei der Entwicklung von Verfahren zur Carbonherstellung und -verarbeitung zusammen. Sie tauschen ihr Know-how aus und feilen an weiteren Wegen hin zu einer Massenproduktion. Einige Hersteller sind der industriellen Herstellung sehr nah. Größere Stückzahlen und kürzere Produktionszeiten können die Kosten deutlich senken. Zurzeit wird außerdem eine Carbonvariante für den Automobilbau entwickelt, die deutlich preisgünstiger sein könnte als handelsübliches Carbon. Hinzu kommt, dass der Stoff durch neue Technologien besser recyclebar wird.

Revolution im Fahrzeugbau

Unter der Marke BMWi sollen 2013 die ersten Elektroautos von BMW auf den Markt kommen. Zum einen ein Sportwagen und zum anderen ein Megacity Vehicle. Revolutionär ist die speziell für Elektrofahrzeuge entwickelte Fahrzeugarchitektur, das LiveDrive-Konzept aus zwei Modulen in Leichtbauweise. Das Drive-Modul, ein Chassis komplett aus Aluminium, beherbergt Batterie und Antrieb. Das Live-Modul ist eine hochfeste leichte Fahrgastzelle komplett aus CFK, kohlefaserverstärktem Kunststoff. CFK ist stabil wie Stahl, wiegt jedoch nur die Hälfte. Weltweit wird damit erstmals ein Auto mit CFK-Fahrgastzelle in die Großserienproduktion gehen.

Gestählte Konzepte

Doch bis Carbon wirklich massentauglich ist, gilt es, die Autos mit weniger kostenintensiven Materialien leichter zu machen. Super Light Car (SLC), so heißt sogar ein EU-Projekt. Vier Jahre lang arbeiteten 37 führende Partner aus Forschung, Fahrzeug- und Zulieferindustrie aus neun europäischen Ländern im EU-Projekt an leichten Karosserien für saubere Automobile der Zukunft. Die Ingenieure und Forscher stellten fest: Langfristig können nur Leichtbaukonzepte zum Einsatz kommen, die unter den Kriterien Kosten, Stückzahl, Funktion, Gewicht und Ökobilanz ideale Eigenschaftskombinationen ausweisen. Bei allen positiven Effekten für den Energieaufwand darf nicht vergessen werden: Leichtbau darf den Komfort der Insassen nicht einschränken und vor allem nicht ihre Sicherheit.

Insgesamt zeichnet sich ab, dass die Stahlanteile zurückgehen werden. Doch moderne Stahlgüten (kalt- und warmgeformt) zusammen mit maßgeschneiderten Stahlinnovationen liefern für den Serienfahrzeugbau auch weiterhin sehr wichtige technische und wirtschaftliche Impulse.

Eine andere Alternative ist Aluminium. Es ermöglicht in Karosseriestrukturen gegenüber Stahl einen Gewichtsvorteil bis über 40 Prozent. Allerdings sind Aluminiumbauweisen ähnlich wie Bauweisen mit Hochleistungskunststoffen mit deutlichen Mehrkosten verbunden. Weitere Leichtbaupotenziale (etwa 10 bis 20 Prozent Gewichtsvorteil gegenüber Aluminium) können durch Magnesiumtechnologien erschlossen werden. Neue Legierungsentwicklungen und hochwertige Oberflächenschutzsysteme verbessern die Einsatzmöglichkeiten von Magnesium auch für Karosseriestrukturen. Aber auch das ist serienmäßig noch nicht möglich.

Neuer Fokus in der Produktion

Die Elektrifizierung des Antriebsstranges sowie der Einsatz neuer Materialien im Fahrzeugbau werden die Produktionsprozesse nachhaltig beeinflussen. Allein wegen der unterschiedlichen Antriebskonzepte werden kurz- und mittelfristig eher zusätzliche Bauteile hergestellt werden müssen. Langfristig jedoch werden viele herkömmliche Komponenten entfallen.

Fahrzeuge mit Hybridantrieb werden aufgrund des zweiten Motors eher komplexer in ihrem Aufbau und im Zusammenspiel der Komponenten. Bei reinen Elektrofahrzeugen jedoch ist die Bauweise eher einfacher. Dies hat besonders Auswirkungen auf die Prozesse in der Metallbearbeitung, also das Bohren, Fräsen und Schleifen von Bauteilen. Ohne Getriebe und mit einem weniger komplexen Motor wird sich der Fokus auf die Bearbeitung von Kunststoffen und der elektronischen Steuerung verschieben.

Es sind also neue Qualifikationen und neue Arbeitsbereiche gefragt, damit die deutsche Automobilindustrie ihrer Vorreiterrolle weiter gerecht werden kann.

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