Mit dem Trend zum Leichtbau haben sich Werkstoffe wie Aluminium und Kunststoffe in der Automobilindustrie etabliert und behalten im Wandel vom Verbrennungs- hin zum Elektromotor als Alternativwerkstoffe zu Stahl auch weiterhin ihre Berechtigung. Für Stahl ist dennoch im weltweit wachsenden Industriezweig der Elektromobilität mit gleichbleibender oder gar steigender Nachfrage zu rechnen. Dies geht aus einer Studie des Handelsblatt Research Institutes (HRI) im Auftrag des österreichischen Unternehmens Voestalpine hervor.
Die Entwicklung innovativer hoch- und ultrahochfester Sorten sichert demnach auch langfristig die Zukunft von Stahl in der Automobilindustrie, da der Werkstoff gleichermaßen leicht und fest, dabei aber bestens verarbeitbar, recyclingfähig und wirtschaftlich ist.
„Für den Einsatz von Stahl in der Elektromobilität sprechen nicht nur wirtschaftliche Gründe, sondern auch eine vergleichbar gute Ökobilanz und Sicherheitsaspekte.“ – Jan Kleibrink, Head of Economic Analysis Handelsblatt Research Institute
In der Elektromobilität soll künftig ein „intelligenter Werkstoff-Mix“ vorherrschen, in dem Stahl eine entscheidende Rolle spielt. Das ist das Ergebnis der Studie „Die Rolle von Stahl in der Elektromobilität“, die im Rahmen der Handelsblatt Jahrestagung 2019 „Zukunft Stahl“ in Düsseldorf vorgestellt wurde. Bei der Entwicklung von Elektroautos ist der Trend zur Gewichtseinsparung um jeden Preis vorbei. Gerade die kohlenstoffverstärkten Kunststoffe (Carbon), die leichter, fester, aber auch deutlich teurer sind als Stahl, scheinen sich nicht weiter durchzusetzen. Hintergrund für diese Erkenntnis sind einerseits die Kosten und die schlechte Recyclingfähigkeit von Carbon im Vergleich zu Stahl und andererseits die permanenten Innovationen in Sachen Festigkeit und Gewicht in der Stahlentwicklung.
Beispiel BMW: Während der i3 weitgehend aus Carbon bestand, wird der i5 ab 2021 aus Stahl und Leichtmetall konstruiert, so die Studie. Auch Tesla fährt in seinem Model 3 die Anteile von Aluminium und Titan zugunsten von Stahl zurück. Inzwischen liefert die europäische Stahlindustrie ultrafeste und zugleich leichte und gut formbare Stähle. Sie punkten mit einfacher Verarbeitung, homogenen Oberflächen für die Lackierung, hoher Rohstoffverfügbarkeit und guter Kombinationsfähigkeit mit anderen Werkstoffen.
„Der Anteil hochfester Stähle im Fahrzeugbau wird von derzeit 18 auf 30 Prozent der genutzten Stahlsorten steigen“, zitiert Jan Kleibrink vom Handelsblatt Research Institute aus den Vorarbeiten des Posco Research Instituts. Um 25 bis 39 Prozent ließe sich so nach Angaben des Weltstahlverbands Worldsteel das Gewicht eines Fahrzeugs reduzieren. Über die Lebensdauer eines Fahrzeugs könnte dies 3 bis 4,5 Tonnen Treibhausgasemissionen sparen. Statt unverhältnismäßig teurer Gewichtsreduktion geht der Trend zu einer Balance zwischen Gewicht und Kosten durch einen Mix verschiedener Stahlsorten mit Aluminium- und Kunststoffflächen.
Unabhängig vom Werkstoff hat die Sicherheit der Karosserie bei einem Unfall absolute Priorität. Bislang kam daher eine Kombination aus Aluminium und Stahl zum Einsatz. Neueste Stahlsorten sind drei- bis viermal zugfester als herkömmliche Stähle und eignen sich so hervorragend gerade für sicherheitsrelevante Bereiche, wie die Studie darlegt.
Stahlerzeugnisse im E-Motor und -Antrieb
In der HRI-Studie wurde auch das Thema Elektromotor und Werkstoffauswahl untersucht. Ergebnis ist, dass Stahl rund um Motor und Antrieb ebenfalls eine zentrale Rolle zukommt. In Elektromotoren wird sogenanntes nicht-kornorientiertes Elektroband eingesetzt – für ein reines Elektroauto zwischen 40 und 100 Kilogramm. Damit könnte der Bedarf für diesen weichmagnetischen Werkstoff allein in Europa auf über eine Million Tonnen jährlich steigen, je nach Nachfrage.
Stahlhersteller konzentrieren sich darauf, diese Elektrobleche fester und dünner zu machen und so das Gewicht des Motors zu reduzieren. Da hier die physikalischen Grenzen fast erreicht sind, können sie sich künftig vor allem durch ihre Kompetenz bei Klebe-, Füge- und Umformtechniken differenzieren. Spezielle Legierungen mit erhöhtem Silizium- und Aluminiumanteil reduzieren zudem Wärmeverluste im Motor bei der Ummagnetisierung um bis zu 30 Prozent. Wer als Hersteller in diesem Segment Know-how aufweisen kann, sichert sich einen Spitzen-Startplatz am wachsenden Markt der Elektromobilität.
Batterie-Schutz: Attraktives Betätigungsfeld für europäische Stahlhersteller
Drei Viertel der Batterien werden derzeit in Asien gefertigt, wird in der vorgestellten Studie bekräftigt. Aus europäischer Sicht fehlen damit Know-how und der Zugang zu ausreichend etablierten Wertschöpfungsketten. Anders beim Gehäuse: Die Batterie-Elemente benötigen einen entsprechend großen Behälter, der ausreichend Schutz bei crashbedingten Höchstbelastungen bietet und verhindert, dass Substanzen bei einem Unfall austreten. Der Batteriekasten ist ein neues Betätigungsfeld für europäische Werkstoffhersteller.
Da das gesamte Batteriemodul bis zu 40 Prozent des Fahrzeuggewichts ausmachen kann, geht es bei der Wahl des Werkstoffes abgesehen vom Sicherheitsaspekt um Gewicht, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Anders als Aluminium, Titan und Faserverbundstoffe hat Stahl den Vorteil, besonders resistent gegenüber Verformungen bei Unfällen zu sein.
Vorteile von Stahl für den Klimaschutz
Klimaschutz ist der wichtigste Treiber für Elektromobilität. Werden fossile Brennstoffe für die Herstellung von Aluminium oder Carbon verwendet und stammt der Strom an den Ladestationen nicht aus erneuerbaren Energien, bleibt die Klimabilanz auch eines Elektroautos unbefriedigend. Ökologisch gesehen hängt der Erfolg der Elektromobilität vom Gelingen der Energiewende ab. Die eingesetzten Werkstoffe dürfen dabei nicht ausgeblendet werden. Im Vergleich zu Aluminium oder Carbon hat Stahl hier besondere Vorteile, weil er von vornherein mit geringerer Energie erzeugt sowie in der Folge weiterverarbeitet und schließlich ohne Qualitätsverlust recycelt werden kann.
Elektromobilität als dynamisch wachsender Markt
In der EU wird Elektromobilität direkt durch Kaufanreize für Elektrofahrzeuge und indirekt durch schärfere Auflagen zum Schadstoffausstoß konventioneller Antriebe gefördert, fasst die Studie zusammen. Bislang halten die geringe Reichweite und die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten viele Verbraucher vom Kauf eines Elektrofahrzeugs ab. „Diese negativen Faktoren schwächen sich ab, da die Entwicklungen bei der Akku-Technik bis 2025 die Reichweiten-Nachteile ausgleichen und die Batteriekosten auf ein Drittel der aktuellen Kosten fallen werden“, sagt Kleibrink.
Schon im laufenden Jahr könnten Elektroautos ihren Preisnachteil im Vergleich zu Verbrennern zumindest teilweise aufholen. Bis 2025 könnten bereits mehr als 14 Millionen Elektrofahrzeuge in der EU verkauft werden. Ein Trend, der laut Studienergebnissen dem Werkstoff Stahl eine wichtige Rolle zukommen lässt, da er in einem intelligenten künftigen Werkstoff-Mix vorherrschen und unter den Gesichtspunkten Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Sicherheit eine zentrale Position einnehmen wird.
Quelle: Voestalpine – Pressemitteilung vom 21.03.2019
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