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E-Mobilität Schiefer: „Leichtbau ist im E-Auto von noch größerer Bedeutung“

| Autor / Redakteur: Claus-Peter Köth / Jens Scheiner

Die These, dass Gewicht bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eher zweitrangig ist, weil schwerere E-Autos beim Bremsen mehr Energie zurückgewinnen, wird immer mal wieder kolportiert. Richtig wird sie dadurch jedoch nicht.

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Der modulare E-Antriebsbaukasten von Volkswagen enthält eine ganze Reihe von innovativen Leichtbaumaßnahmen und trägt damit zu einer höheren elektrischen Reichweite bei.
Der modulare E-Antriebsbaukasten von Volkswagen enthält eine ganze Reihe von innovativen Leichtbaumaßnahmen und trägt damit zu einer höheren elektrischen Reichweite bei.
(Bild: VW )

Emissionen in der Elektromobilität lassen sich nicht nur durch den richtigen Strommix verringern, sondern bereits in der Fahrzeugherstellung durch die geeignete Verwendung von Werkstoffen. Das hat Manuel Schweizer, Student der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI) im Masterstudiengang Applied Research in Engineering Sciences, in einem Forschungsprojekt analysiert. Ende April kam er zu einem überraschenden Ergebnis: „Leichtbau bei Elektrofahrzeugen bringt im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor hinsichtlich der Gesamtenergie und Gesamtemissionen keinen Vorteil gegenüber Stahl“. Nebenbei bemerkt: Von Stahlleichtbau will Schweizer offensichtlich nichts wissen.

In seiner Arbeit vergleicht er die Auswirkungen von Leichtbaumaßnahmen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und Elektroantrieb im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Emissionen. Ziel war es nach eigener Aussage, den optimalen Materialmix für beide Varianten zu ermitteln. Zunächst modellierte Schweizer jeweils ein Fahrzeug beider Antriebsarten für die untere Mittelklasse sowie die Oberklasse. In seine anschließenden Berechnungen bezog er die Herstellungsenergie und Emissionen verschiedener Werkstoffe ein, unter anderem Aluminium und Stahl.

Die vergleichenden Berechnungen ergaben, dass die Leichtbauvariante über den gesamten Lebenszyklus sowohl mehr Energie benötigt als auch mehr Emissionen ausstößt als Stahlbauweisen der gleichen Fahrzeugklasse. Ein negativer Einfluss des zusätzlichen Gewichts trete dabei nicht in dem Maße auf, wie es bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor der Fall sei, da das E-Auto neben seinem höheren Wirkungsgrad auch die Möglichkeit der Energierückgewinnung beim Bremsen besitze.

Gewicht bei E-Autos zweitrangig: Ein hartnäckiges Gerücht

Da ist es also wieder, das sich hartnäckig haltende Gerücht, dass das Gewicht bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eher zweitrangig ist, weil schwerere E-Autos beim Bremsen mehr Energie zurückgewinnen. Doch diese These ist falsch, auch wenn sie immer mal wieder kolportiert wird – zuletzt 2018 vom CAR-Institut der Universität Duisburg-Essen, damals noch geleitet von Professor Ferdinand Dudenhöffer.

Richtig ist: Die Rekuperation bei E-Autos kann nur einen Teil der eingesetzten Energie zurückgewinnen, und zwar die, die bei Beschleunigungsvorgängen oder Steigungsfahrten aufgewendet wird. Die thermischen Verluste hingegen verpuffen, genauso wie die zusätzlich benötigte Energie etwa zum aktiven Kühlen des Elektroantriebs. Bezogen auf das Fahrzeuggewicht und das Leichtbaupotenzial heißt das: Je weniger Masse beschleunigt oder auf ein anderes Höhenpotenzial gebracht werden muss, desto weniger Energieverluste entstehen.

„Auf den ersten Blick mag es stimmen, dass die Rekuperation ein Stück weit den Gewichtsnachteil kompensiert. Aber eben nicht in Gänze und auch stark abhängig vom Fahrprofil. Insgesamt braucht es einen ganzheitlichen Blick, angefangen bei der Entwicklung bis hin zur Produktion der Fahrzeuge“, sagt Ludger Lührmann, Leiter Karosserieentwicklung der Volkswagen AG. Natürlich beeinflusse Leichtbau auch bei Elektrofahrzeugen positiv die Reichweite und Beschleunigung. Es gebe einen direkten Zusammenhang zwischen Gewichtsersparnis und dadurch zusätzlich zur Verfügung stehender Reichweite.

Stichwort Gewichtsspirale

„Für ein performantes Elektroauto ist der Leichtbau sogar von einer noch größeren Bedeutung als für ein verbrennungsmotorisch angetriebenes Fahrzeug“, kommentiert Ulrich Schiefer, Geschäftsführer der „AtTrack GmbH – Gesellschaft für Mobilität“. Er begründet seine Aussage mit der Gewichtsspirale, die sich beim Elektroauto noch einmal schneller dreht als beim Verbrenner, weil E-Fahrzeuge mit relevanter Reichweite per se signifikant schwerer sind, aufgrund der Hochvoltbatterie. Insgesamt seien beim E-Auto etwa 50 Prozent der Fahrzeugmasse von der Gewichtsspirale betroffen, weshalb sekundär noch mehr Gewicht oben drauf kommt, etwa in Form größerer Bremsen oder Zusatzmaßnahmen für die Crashsicherheit.

Es geht unweigerlich Energie verloren

Und das Argument der Rekuperation? „Eine Batterie hat nicht nur die Fähigkeit elektrische Energie zu speichern, sie hat auch eine maximale Leistung, die nicht überschritten werden darf“, erklärt Schiefer. Diese werde insbesondere dann abgerufen, wenn das Fahrzeug rekuperiert – also an der Grenze der Leistungsfähigkeit der Batterie maximal Energie zurückgespeist wird. „Das ist im Grunde das gleiche Thema wie beim Laden: Wenn Sie zu häufig zu schnell laden, geht das auf Kosten der Haltbarkeit der Batterie“, sagt Schiefer. Die Beibehaltung des ursprünglichen Rekuperationsgrades bei einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts sei nur möglich, wenn auch der Akku proportional zur Fahrzeugmasse wachse.

Auf dem Fuße folgen höhere Containmentstruktur- und Safetygewichte, und so drehe sich die Spirale schneller als man das vom Verbrenner kenne. „Im Betrieb eines E-Fahrzeugs geht unweigerlich Energie verloren. Von daher kann rein logisch schon gar nicht die gesamte Energie beim Bremsen zurückgewonnen werden“, ergänzt Prof. Frank Henning vom Fraunhofer ICT. Außerdem habe die Rekuperation selbst nur einen Wirkungsgrad von etwa zwei Drittel.

Ressourceneffiziente Werkstoffwahl

Die Simulationen und Berechnungen der Karlsruher Forscher ergaben: Eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 100 Kilogramm senkt den Energiebedarf des ausgewählten E-Golf um etwa 4 Prozent. „Der Roll-, Beschleunigungs- und Steigungswiderstand verringern sich bei einem leichteren Fahrzeug signifikant“, sagt Henning. Ein weiterer Nebenaspekt: Die Masse wirke sich nicht nur auf die Effizienz des Fahrzeugs aus. „Die Fahrdynamik wird bei einem höheren Gewicht beeinträchtigt, und der Reifenverschleiß nimmt zu“, so Henning.

Gleichwohl sieht Manuel Schweizer in einer ressourceneffizienten Werkstoffwahl den größeren Hebel als im Leichtbau, um die Gesamtemissionen eines E-Fahrzeugs zu senken. Alleine in der Batterieherstellung ließen sich bei einem Modell der unteren Mittelklasse 9 bis 13 Prozent der Emissionen einsparen, bei einem Fahrzeug der oberen Mittelklasse sogar 19 bis 24 Prozent. Durch diese Energie- und Emissionseinsparungen, so Schweizer, könnte mehr Batteriekapazität hergestellt und somit die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht werden.

Auch Volkswagens ID-Familie setzt auf Leichtbau

Ludger Lührmann hält dagegen und verweist auf die positiven Eigenschaften des Leichtbaus vor Kunde. Diese gelte es immer wieder aufzuzeigen. Etwa anhand der beschriebenen Sekundäreffekte, mit denen sich die Gewichtsspirale noch weiter nach unten drehen lässt. Oder der Beitrag des intelligenten Leichtbaus zur Ressourcenschonung und zum Klimaschutz – von der Herstellung bis zur Nutzung des Fahrzeugs.

Der modulare E-Antriebsbaukasten von Volkswagen, auf dem die neue ID-Familie basiert, enthalte zum Beispiel eine ganze Reihe von innovativen Leichtbaumaßnahmen. Etwa einen Aluminiumschweller, einen ultrahochfesten Sitzquerträger, dünne hochfeste Türaußenbleche, eine Kunststoffheckklappe und ein Batteriegehäuse aus Aluminium. Alle gemeinsam bilden die Grundlage für 420 Kilometer Reichweite mit der 58-kWh-Batterie beziehungsweise 550 Kilometer Reichweite mit der 77-kWh-Batterie. „Das bietet kein anderes Elektrofahrzeug im A-Segment“, resümiert Lührmann.

Leichtbau Live!

In der neuen Webinar-Reihe „Leichtbau-Live!“ von »Automobil Industrie« präsentieren Experten ihre Strategien, Technologien, Innovationen oder Fallbeispiele rund um das Schlüsselthema Leichtbau – alle zwei Wochen für Sie frei Haus. Den Auftakt macht am 19. Mai 2020 um 10 Uhr Dr. Ulrich Schiefer, Geschäftsführer der „AtTrack GmbH – Gesellschaft für Mobilität“. Sein Thema: „Leichtbau und Rekuperation im Elektroauto – Freunde oder Feinde?“ Dabei entkräftet Schiefer die sich hartnäckig haltende Behauptung, dass Mehrgewicht im E-Fahrzeug aufgrund der Rekuperation keine große Rolle spiele. Im Anschluss an seinen Vortrag stellt sich Schiefer den Fragen der »Automobil Industrie«-Chefredaktion. Diskutieren Sie mit!

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