Auto/Motor

Elektroautos sind eine Möglichkeit, CO²-Emissionen im Personenverkehr zu
reduzieren. Aber sind batteriebetriebene Fahrzeuge auch nachhaltig? VHB
expert Karsten Kieckhäfer, Professor für Betriebswirtschaftslehre,
insbesondere Produktion und Logistik, an der FernUniversität in Hagen
stellt drei Thesen zu den Herausforderungen in der Elektromobilität auf.

Elektroautos spielen eine Hauptrolle für den Klimaschutz im PKW-Verkehr
10 Jahre – so alt waren laut Kraftfahrtbundesamt im Durchschnitt die zum
Stichtag 1. Januar 2022 in Deutschland zugelassenen Pkw. Viele der heute
verkauften Neuwagen mit Verbrennungsmotor stoßen somit sehr wahrscheinlich
auch noch im Jahr 2035 Treibhausgase aus – deutlich zu lang, um dem
Klimawandel entschieden entgegenzuwirken. Dass Elektroautos tatsächlich
besser abschneiden, wurde in der Vergangenheit immer wieder angezweifelt.
Doch die Studienlage ist eindeutig: Verglichen mit anderen
Antriebstechnologien besitzen Elektroautos bereits heute über den gesamten
Lebenszyklus die beste Klimabilanz.

Herausforderungen: nachhaltige und resiliente Lieferketten für Rohstoffe
und Batteriezellen
Aus Nachhaltigkeitsperspektive liegen die Herausforderungen von
Elektroautos in der Produktionsphase. Gründe hierfür sind der erhöhte
Bedarf an Metallen und Energie bei der Herstellung der Batteriezellen
sowie die globalen Lieferketten der Batteriesysteme. Sie führen gegenüber
konventionellen Fahrzeugen zu einem größeren ökologischen Fußabdruck in
der Herstellung und zu sozialen Problemen, wie z. B. einem erhöhten Risiko
für Kinderarbeit. Aus ökonomischer Perspektive ist eine starke
Abhängigkeit von wenigen Ländern festzustellen, in denen wichtige
Rohstoffe (z. B. Kobalt und Lithium) gewonnen und weiterverarbeitet
werden. Gleiches gilt für die Produktion der Batteriezellen. Verbunden mit
einer zunehmenden Verknappung des Angebots führt diese Länderkonzentration
derzeit zu starken Preissteigerungen. Um die Lieferketten gleichermaßen
nach-haltig und resilient zu gestalten, kommt der Identifikation, Auswahl
und Entwicklung geeigneter Bezugsquellen und – wo immer möglich – dem
Aufbau eigener Produktionskapazitäten eine herausragende Bedeutung zu.

… sowie Materialsubstitution und Recycling
Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden sich je nach
Materialzusammensetzung. Schon aus ökonomischen Gründen werden Metalle wie
Kobalt von den Automobil- und Zellherstellern häufiger durch andere
Materialien ersetzt. Dies hat in der Regel auch positive ökologische und
soziale Effekte. Weitere Vorteile können durch ein Recycling der
Altbatterien erzielt werden. Hier werden die regulatorischen Anforderungen
in der EU in Zukunft deutlich steigen: u. a. sollen spezifische
Verwertungsquoten für Kobalt, Nickel, Lithium und Kupfer sowie
Mindesteinsatzmengen von Kobalt-, Nickel- und Lithium-Rezyklaten
vorgegeben werden. Klar ist aber auch: Im Markthochlauf der
Elektrofahrzeuge können Rezyklate nur in sehr begrenztem Maße
Primärrohstoffe ersetzen. Erst einmal muss eine ausreichende Menge an
Altbatterien zum Recyclen zur Verfügung stehen. Hiervon hängt im
Wesentlichen auch die Wirtschaftlichkeit des Recyclings ab.

nternationale Studie des Fraunhofer IAO untersucht Wahrnehmung von
Nachhaltigkeit im Fahrzeuginnenraum

Wer die kommenden Konsumentengenerationen für sich gewinnen will, muss
auch den Fahrzeuginnenraum im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft
denken. Das Fraunhofer IAO hat im Rahmen des Projekts »futureFlexPro« eine
internationale Studie mit einem design-orientierten Ansatz durchgeführt,
um zielgruppenspezifischen Materialempfindungen zu untersuchen und
Handlungsempfehlungen abzuleiten.

Aspekte wie die Lebensdauer und Recyclingfähigkeit von Produkten gewinnen
im Zuge der steigenden gesellschaftliche Relevanz von Nachhaltigkeit an
Bedeutung und werden sich langfristig in deren Nachfrage widerspiegeln.
Diesem Wandel muss sich auch die Fahrzeugindustrie stellen und den
gesamten Entwicklungsprozess in Bezug auf Nachhaltigkeit über alternative
Antriebssysteme und Karosserie hinaus weiterentwickeln. Das betrifft neben
technologischen Systemen auch die Materialien und Ausstattungskomponenten
im Innenraum eines Fahrzeugs. Hierzu zählen Aspekte wie beispielsweise der
Einsatz qualitativ hochwertiger Materialien, langlebige und demontierbare
Konstruktionen und die Wiederaufbereitung und Wiederverwendung von
Fahrzeugkomponenten. Der Einsatz von austauschbaren, recyclingfähigen
Elementen im Innenraum und Materialien aus nachwachsenden oder recycelten
Rohstoffen, die der Wertschöpfungskette wieder zugefügt werden können,
leistet nicht nur einen Beitrag für den Ressourcen- und Klimaschutz,
sondern erfüllt die Bedürfnisse der zukünftigen Zielgruppen der
Automobilindustrie. Um herauszufinden, wie verschiedene Materialien
tatsächlich auf Personen wirken bzw. wirken sollen und was mit
Nachhaltigkeit im Fahrzeuginnenraum konkret verbunden wird, hat das
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO im Rahmen
des Projekts »futureFlexPro« eine internationale Untersuchung
durchgeführt. »Material matters. Internationale Studie zur Wahrnehmung von
Nachhaltigkeit und Materialanforderungen im Fahrzeuginnenraum« liefert
wichtige Ansatzpunkte für die Automobilindustrie, um auf aktuelle Trends
und gesellschaftliche Entwicklungen im Bereich der Nachhaltigkeit zu
reagieren und bedürfnisorientierte Designs zu entwickeln.



Verständnis von Luxus wandelt sich hin zu mehr Nachhaltigkeitsaspekten
Die Onlinebefragung wurde im Sommer 2021 mit jeweils über 1500
Teilnehmenden in den drei relevanten Automobilmärkten China, Deutschland
sowie den Vereinigten Staaten Amerikas durchgeführt. Parallel zur Online-
Befragung hat das Forschungsteam zielgruppenspezifische Designkonzepte
entwickelt, die im September auf einer Materialwand auf der IAA Mobility
2021 in München ausgestellt und validiert wurden. Darauf zu sehen waren
Material- und Farbkonzepte mit nachhaltigen und hochwertigen Materialien,
die sich auf drei unterschiedliche Generationen beziehen.

Zwar werden Nachhaltigkeit und Luxus in der Bevölkerung oft als Gegensätze
wahrgenommen, doch die Befragungsergebnisse zeigen, dass deren Bedeutung
stark vom Alter abhängt und sich das Verständnis für Luxus langsam
wandelt. So scheinen die jüngeren Generationen (Y-Z) die Attribute
»nachhaltig« und »fair« stärker mit Luxus zu verbinden als die älteren.
Wer die kommenden Konsumgenerationen für sich gewinnen will, muss demnach
auch den Fahrzeuginnenraum im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft
denken. Insgesamt werden die Materialgruppen Holz und Leder von den
Befragten als am hochwertigsten wahrgenommen, während in Deutschland Holz
stärker als hochwertig wahrgenommen wird, steht Leder in den USA an erster
Stelle. »Im Automotive-Bereich kennt man bisher eher sehr gleichbleibende
Oberflächen. Aber das braucht es künftig nicht mehr, da das
Nachhaltigkeitsbewusstsein der Menschen wächst, und sie dieses auch mit
einer entsprechenden Farb- und Materialgestaltung in ihren Fahrzeugen
zeigen wollen«, so Karin Bobka, Design- und Mobilitätsforscherin am
Fraunhofer IAO.

Hinsichtlich der Preisbereitschaft für die Personalisierung spezifischer
Komponenten würde das meiste Geld für die Integration smarter Flächen
ausgegeben werden. Die chinesischen Teilnehmenden würde hierbei einen
deutlich höheren Preis bezahlen. Die deutschen Probandinnen und Probanden
würden hingegen signifikant mehr Geld für die Integration nachhaltiger
Materialien ausgeben. Die Option, spezifische Komponenten im
Fahrzeuginnenraum nach einer gewissen Zeit auszutauschen oder
nachzurüsten, wird als am interessantesten bewertet. Insgesamt wird
deutlich: Jede Generation nimmt die Materialien anders wahr – und stellt
damit besondere Anforderungen an die Design- und Entwicklerteams der
Fahrzeugkabinen der Zukunft. Es gilt also, nachhaltige Materialien mit
einem zielgruppenspezifischen und hochwertigen Design zu kombinieren.

Anwendungsbeispiele für die Automobilindustrie
Neben dem Fraunhofer IAO sind auch die vier Mitglieder des Fraunhofer-
Projektzentrums Wolfsburg am Forschungsprojekt »futureFlexPro« beteiligt –
die Institute Fraunhofer IWU, IST, IFAM und WKI. Ziel des Projekts ist die
Erarbeitung modularisierbarer Lösungen für nachhaltige,
funktionsintegrierte Komponenten zukünftiger Fahrzeuggenerationen unter
Berücksichtigung einer ganzheitlichen Kreislaufwirtschaft sowie einer
durchgängigen ökonomischen, ökologischen und technologischen Bewertung im
Kontext von Markt- und Absatzszenarien.

Dazu werden im Projekt nachhaltige, modular einsetzbare Komponenten für
zukünftige Fahrzeuggenerationen als Anwendungsbeispiele für die
Automobilindustrie konzipiert und umgesetzt, die den sich verändernden
Nutzungsverhalten und -bedürfnissen gerecht werden. Dabei sind unter
anderem bereits Demonstratoren aus Flachsfaserverbund-Material entstanden,
die eine smarte Touchfläche durch leitfähige Garne integriert haben. Damit
liefert die Forschungsarbeit wichtige Ansatzpunkte für die
Automobilindustrie, um auf aktuelle Trends und gesellschaftliche
Entwicklungen im Bereich der Nachhaltigkeit zu reagieren und
bedürfnisorientierte Designs zu entwickeln.

Der Schienenverkehr in Deutschland könnte mit Hilfe von grünem Wasserstoff
einen weiteren Schritt in Richtung Klimaneutralität machen. VDI und VDE
zeigen in einem gemeinsamen Impulspapier, wie vor allem mit
Wasserstoffzügen auf den Einsatz von fossilen Energieträgern im
Bahnverkehr verzichtet werden könnte. Ergänzend empfiehlt sich, Züge mit
batteriebasierten Antriebssystemen einzusetzen, wie die Experten von VDI
und VDE heute in einer virtuellen Pressekonferenz erläuterten.

Im Kampf gegen den Klimawandel will die Politik den Schienenverkehr in
Deutschland weiter ausbauen. Die Züge sollen möglichst mit grünem Strom
fahren und bis 2030 will die Regierung 75 Prozent des Schienennetzes
elektrifizieren. Nach den Zahlen der Allianz pro Schiene für das Jahr 2021
werden bereits 90 Prozent der Verkehrsleistung im Schienenverkehr
elektrisch erbracht, der Anteil des Dieselbetriebs liegt bei zehn Prozent.
Den Bahnverkehr auf einem vollständig elektrifizierten Netz zu betreiben
wäre nur mit hohem Aufwand und Kosten möglich und würde bei den aktuellen
Planungs- und Ausbaukapazitäten zu lange dauern. Die Kosten für die
Errichtung der Oberleitungsanlagen sowie notwendige Begleitmaßnahmen
liegen laut DB Netz durchschnittlich bei mehr als 1,5 Millionen Euro pro
Kilometer. Batteriefahrzeuge bei Elektrifizierungslücken Rüdiger Wendt,
Mitglied im VDI-Fachbeirat Bahntechnik: „Antriebe mit Oberleitung sind im
Bahnverkehr das Mittel der Wahl, weil sie am effizientesten sind. Doch
überall da, wo es Lücken bei der Elektrifizierung gibt, bietet sich der
Einsatz von Wasserstoffzügen und Batteriefahrzeugen an.“

Bei Batteriefahrzeugen wird der Fahrdraht direkt für die Versorgung des
Antriebs verwendet. Gleichzeitig wird die Batterie während der Fahrt und
im Stillstand darüber geladen. Falls keine Oberleitung verfügbar ist
können auch Ladestationen verwendet werden. Die aktuellen Modelle haben
eine Reichweite von bis zu 120 Kilometern, je nachdem wie die
topologischen und betrieblichen Randbedingungen sind. Wendt ergänzt:
„Batteriefahrzeuge haben den Nachteil, dass ihre Reichweite begrenzt ist
und die erforderliche Ladezeit betrieblich sinnvoll und zuverlässig
realisiert werden muss. Bestenfalls erfolgt die Ladung in Fahrt. Bei
längeren fahrleitungsfreien Abschnitten sind daher Wasserstoff-
Brennstoffzellenfahrzeuge vorteilhafter.

Tobias Bregulla, Mitglied im VDE/VDI-Fachausschuss Wasserstoff und
Brennstoffzellen: „Bei dieser Technologie wird Wasserstoff mit
Luftsauerstoff in elektrische Energie umgewandelt und diese dann für den
Antrieb genutzt. Neben Wasser entsteht als Nebenprodukt Wärme, die
energiesparend sogar zum Heizen des Fahrgastraums bei kühlen Temperaturen
genutzt werden kann. Derzeit setzen die am Markt verfügbaren
Fahrzeugmodelle auf komprimierten gasförmigen Wasserstoff und erzielen
Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern.“

Wasserstoff als begehrter Energieträger

Allerdings gibt Bregulla zu bedenken, dass sogenannter grüner Wasserstoff
wegen des
wachsenden Interesses auch anderer Sektoren ein sehr begehrter
Energieträger ist. Dies
spräche dafür, dass der Schienenverkehr langfristig seinen Bedarf auch mit
eigenen
Erzeugungseinheiten decken sollte. Der Einsatz eigener Elektrolyseure
könnte hierfür die Basis bieten. Hierdurch würde sich die
Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff im
Schienenverkehr deutlich verbessern. Insgesamt sehen VDI und VDE
angesichts der politischen Zielvorgaben große Potenziale für die
innovativen Antriebstechnologien auf nicht- oder teilelektrifizierten
Strecken. Wenn bei einer Erweiterung des Streckennetzes im Regionalverkehr
durch Neubau oder Reaktivierung wirtschaftliche oder technische Gründe
gegen den Bau einer Oberleitung sprechen, können die neuen Technologien
mit Blick auf den Lebenszyklus ein