Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau

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1 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Dr. Tina Dettmer, Prof. Christoph Herrmann, g / Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering

2 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 2

3 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 3

4 Prof. Dröder Prof. Herrmann > Fertigungstechnologien & Prozessautomatisierung < > Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engineering < Fertigungstechnik - Dr. Hoffmeister- Montage & Fertigungsautomatisierung -Dr. Raatz- Nachhaltige Produktion -Dr. Thiede- Life Cycle Engineering -Dr. Dettmer- Spanende Fertigungsverfahren Präzisionsbearbeitung Werkzeugentwicklung Modellierung & Simulation Entwicklung automatisierter Handhabungs- und Montageprozesse Robotertechnik und Montagezellen Maschinen- und Steuerungskonzepte für Handhabung, Montage, Automatisierung Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Verbesserung von Maschinen und Prozessketten bzw. Fabriken Vision Mineralölfreie Produktion alternative Kühlschmierstoffe Bearbeitung von Holz- Verbundwerkstoffen Lebensweganalysen (Ökobilanzierung, Life Cycle Costing) Technologiemanagement Planung gund dgesa Gestaltung Demontage- /Recyclingsystemen Methoden und Werkzeuge zur Unterstützung von DFE und EMFA 15. Oktober 2013 Folie 4

5 Forschungsschwerpunkte Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering 15. Oktober 2013 Folie 5

6 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 6

7 Motivation und Herausforderungen Energie- & Ressourceneffizienz Ressourcenperspektive Produktionsperspektive Total industry CO 2 (from fuels and process emissions) broken down by major subsectors Manufacturing CO2 emissions (including direct, allocations for heat, electricity, and construction) as a fraction of the global manufacturing total for the West and the East 15. Oktober 2013 Folie 7 (Quelle: Gutowski, Allwood, Herrmann, Sahni (2013) A Global Assessment of Manufacturing: Economic Development, Energy Use, Carbon Emissions, and the Potential for Energy Efficiency and Materials Recycling)

8 Motivation und Herausforderungen Energie- & Ressourceneffizienz (Quelle: Julian M Allwood, Jonathan M Cullen: Sustainable Materials with both eyes open, Oktober 2013 Folie 8

9 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 9

10 Motivation und Herausforderungen Leichtbau Der Straßenverkehr ist für ca. 20% aller CO 2 - Emissionen in der EU verantwortlich, wobei mehr als die Hälfte dieser Emissionen i auf PKW entfällt. CO 2 -Emissionen des Straßenverkehrs sind in der EU seit 1990 um 22% gestiegen, g insbesondere aufgrund der zunehmenden Zahl der Fahrzeuge und der gestiegenen zurückgelegten Strecke pro Fahrzeug. Kraftstoffverbrauch t ff und CO 2 -Emissionen i sind abhängig vom Fahrzeuggewicht Entwicklung des Gewichts europäischer Fahrzeuge (Kompaktklasse), BCG (2001) Steigerung g des Fahrzeuggewichts um ca. 30% in den letzten 20 Jahren. Hauptgründe für diese Zunahme: > Sicherheit, z.b. ABS, Airbag, ESP > Komfort, z.b. Klimaanlage, elektronische Komponenten > strengere Crashvorschriften > Gewichtsreduktion durch Leichtbau wurde über zunehmende Komfort- und Sicherheitsmaßnahmen kompensiert. > Weitere Anstrengungen und Innovationen sind erforderlich Quelle: UBA (2007), Fraunhofer ISI (2004), Krupitzer, R. (2008), europa eu/environment/air/transport/co2/co2 home htm 15. Oktober 2013 Folie 10

11 Motivation und Herausforderungen Leichtbau Potenziale im Automobilbau Einfluss des Fahrzeuggewichtes auf die Umweltwirkung Verbrauchsreduktion von Produkten in deren Nutzungsphase Downsizing möglich Attraktivere Fahrdynamik Herausforderungen Primärenergiebedarf von konventionellen Werkstoffen und CFK Leichtbauwerkstoffe haben hohe Umweltbelastungen in der Produktionsphase Materialherstellung dabei deutlich relevanter als Fertigung des OEM Materialrecycling von Verbundwerkstoff (Quellen: e-mobil BW GmbH (Hrsg.), 2012: Leichtbau in Mobilität und Fertigung. Ökologische Aspekte; de; IWF: Projekt MultiMak) 15. Oktober 2013 Folie 11

12 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 12

13 Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Analyse der Potentiale von Leichtbau- Entsorgung (Gutschrift) strategien im Kontext einer nachhaltigen CO 2 -Reduktions- Entwicklung: technische Bewertung ökonomische Bewertung (mit kg CO 2 -Äquivalente - Nutzung break-even + Potentiale durch Leichtbaumaßnahmen (Szenarien) Life Cycle Costing, LCC) Herstellung Trend: verkürzte Lebenszyklen ökologische Bewertung (mit Life Lebenszyklus (gefahrene Strecke) Cycle Assessment, LCA) Produktlebenszyklus erfordert Datenaufnahme für die Lebenszyklusphasen (Sachbilanz) Wirkungsabschätzung zur Ermittlung von potentiellen Umweltwirkungen Rohstoff- Herstellung CO 2 CH 4 NO x Produktion Nutzung Verwertung CO 2 VOC CO 2 VOC NO x CO 2 SO 2 NO x Sachbilanz Σ CO 2 Σ NO x Σ CH 4 ner LCA nach ISO Ziel: Identifikation von optimalen Leichtbaumaßnahmen Wirkungsabschätzung Treibhauseffekt, Sommersmog, Versauerung, Schritte ei Quelle: in Anlehnung an Volkswagen 15. Oktober 2013 Folie 13

14 Umweltbilanz warmumgeformte Stähle Jedes Bauteil aus warmumgeformtem Stahl verursacht im Presswerk von Volkswagen sehr viel höhere CO 2 -Emissionen als Bauteile aus konventionellem Stahl. Wieso sind warmumgeformte Stähle trotzdem umweltfreundlicher? Quelle: Volkswagen, Konzernforschung Umwelt Produkt 15. Oktober 2013 Folie 14

15 Umweltbilanz warmumgeformte Stähle Durch die geringere Blechdicke (bei höherer Festigkeit) wird 25 % weniger Stahl benötigt, das reduziert entsprechend die CO 2 -Emissionen. konventionell warm- umgeformt Emissionen [kg CO 2 e] 1600 Stahlherstellung Quelle: Volkswagen, Konzernforschung Umwelt Produkt 15. Oktober 2013 Folie 15

16 Umweltbilanz warmumgeformte Stähle Der Prozess des Warmumformens verursacht zwar mehr CO 2 -Emissionen, wegen des geringeren Stahlverbrauchs ist die Herstellung des Bauteils aber immer noch 20 % besser. konventionell warm- umgeformt Emissionen [kg CO 2 e] 1600 Stahlherstellung Prozess bei Volkswagen Quelle: Volkswagen, Konzernforschung Umwelt Produkt 15. Oktober 2013 Folie 16

17 Umweltbilanz warmumgeformte Stähle Das geringere Gewicht reduziert in der Nutzungsphase den Kraftstoffverbrauch und entsprechend die CO 2 -Emissionen. Über den gesamte Lebenszyklus ergibt sich ein Vorteil von rund 25 %. konventionell warm- umgeformt Emissionen [kg CO 2 e] 1600 Stahlherstellung Prozess bei Volkswagen Nutzungsphase Quelle: Volkswagen, Konzernforschung Umwelt Produkt 15. Oktober 2013 Folie 17

18 Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Entsorgung (Gutschrift) kg CO 2 -Äquivale ente Nutzung Einsatz formgehärteter Stähle: - 21% CO 2 -Em. Herstellung Lebenszyklus (gefahrene Strecke) Produktlebenszyklus Rohstoff- Herstellung Produktion Nutzung Verwertung Rohstoffeinsparung höherer Kraftstoffreduktion = Σ Abnahme der CO 2 - Energieaufwand Emissionen (+ 47% CO 2 -Em.) > Einsatz formgehärteter Stähle führt bereits in der Produktion zum ökologischen Break-Even (aufgrund geringeren Stahleinsatzes) Quelle: Volkswagen 15. Oktober 2013 Folie 18

19 Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten & Aluminium hat einen hohen Energieaufwand in der Rohstoffherstellung: Primäraluminium (212MJ/kg) erfordert 10x mehr Energie als Primärstahl (20MJ/kg). Magnesium: 247 MJ/kg kg CO 2 -Äquiva alente - Nutzung break-even: zwischen und km (je nach Annahmen) + Entsorgung (Gutschrift) Einsatz von Al, Mg, Kohlefaser: MJ/kg Herstellung Epoxidharz: 140 MJ/kg Lebenszyklus (gefahrene Strecke) Welche Maßnahmen sind aus ökolog. Sicht empfehlenswert? Produktlebenszyklus Rohstoff- Herstellung Produktion Nutzung Verwertung Zu beachten ist: Bewertung der Emissionen bei der Aluminiumherstellung (Wasserkraft) höherer Energieaufwand höherer Kraftstoffreduktion = Energieaufwand Σ Ab-/Zunahme der CO 2 -Emissionen? Anteil von Primär- und Sekundäraluminium Langfristige Materialverfügbarkeit Quelle: Fraunhofer ISI (2004) > Energetische Aufwendungen in der Materialherstellung von Al, Mg, liegen deutlich über denen von Stahl. > Maßnahmen erfordern einen fallspezifische Bewertung. 15. Oktober 2013 Folie 19

20 Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten & Welche technischen Maßnahmen von Leichtbauprinzipien sind aus ökologischer und ökonomischer Sicht zu empfehlen? Die bisher beschriebenen Maßnahmen ermöglichen Zweck- grundsätzlich eine Reduktion des Fahrzeuggewichts. Leichtbau Jedoch haben Al, Mg, deutlich höhere Energieaufwendungen g in der Rohstoffherstellung. Kosten Ökologischer Leichtbau Optimierter Leichtbau Herstellkosten CO 2 -Steuer (Strafzahlung) Auswahl der Leichtbaumaßnahmen bedarf einer Analyse der Einflussfaktoren: jährliche Fahrleistung, Fahrweise, zunehmender Leichtbau Werkstoffkosten Fertigungskosten Engineeringkosten Gewicht Potentiale von Leichtbau sind größer bei Stadtverkehr und schweren PKW (Trend: kleinere, leichtere Stadt-PKW) Kosten versus Gewicht im Leichtbau Quelle: Fraunhofer ISI (2004), Oktober 2013 Folie 20

21 Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten & Welche technischen Maßnahmen von Leichtbauprinzipien sind aus ökologischer und ökonomischer Sicht zu empfehlen? Die bisher beschriebenen Maßnahmen ermöglichen grundsätzlich eine Reduktion des Fahrzeuggewichts. kg CO 2 -Äqu uivalente - Nutzung break-even Herstellung Lebenszyklus (gefahrene Strecke) + Entsorgung (Gutschrift) Leichtbau- maßnahme Jedoch haben Al, Mg, deutlich höhere Energieaufwendungen g in der Rohstoffherstellung. Produktlebenszyklus Rohstoff- Herstellung Produktion Nutzung Verwertung Auswahl der Leichtbaumaßnahmen bedarf einer Analyse der Einflussfaktoren: jährliche Fahrleistung, Fahrweise, Potentiale von Leichtbau sind größer bei Stadtverkehr und schweren PKW (Trend: kleinere, leichtere Stadt-PKW) Produktentwicklung > Es sind Leichtbaumaßnahmen auszuwählen, die mit annähernd gleichen Herstellkosten eine maximale Reduktion der Emissionen über den gesamten Lebenszyklus ermöglichen. > Emissionen über den Lebenszyklus müssen bereits in der Produktentwicklung bekannt sein. 15. Oktober 2013 Folie 21

22 Formhärten zwischen Energieeffizienz und Leichtbau Kurzvorstellung Motivation und Herausforderungen Energie- und Ressourceneffizienz Leichtbau Life Cycle Thinking Leichtbau & Formhärten Ausblick Leichtbau und Elektromobilität 15. Oktober 2013 Folie 22

23 Ausblick Leichtbau und Elektromobilität Einfluss von Leichtbau und E-Mobilität auf das Treibhauspotential von Automobilen uivalente kg CO2 Äq Background system Raw materials Elektromobilität Foreground system Einbau neuer Komponenten (Batterien, E-Motoren) Rampup noch ineffizienter Produktionsverfahren Nutzung kritischer Rohstoffe break even ng t) Verwertun (Gutschrift Energy Infrastructure End of Life Production Use Phase Waste Emissions i Rohstoffgewinnung und Herstellung Thesen: Automobil Lebenszyklus (Kilometerleistung) Treibhauspotentialverursachung über den Lebenszyklus Recycling Trendthema Elektromobilität Elektromobilität ermöglicht klimaneutrale Nutzungsphasen von Automobilen bei Verwendung erneuerbarer Energieträger. Produktionsphase (insb. Materialgewinnung) inn ng) von Leichtbau-E-Fahrzeugen e rückt aus ökologischer Sicht noch stärker in den Fokus. Downsizing ermöglicht neben weiteren Verbrauchseinsparungen auch geringeren Materialaufwand. (Quelle: Herrmann, C., Thiede, S., Luger, T., Zein, A., Stehr, J., Halubek, P., Torney, M., 2009: Automotive Life Cycle Engineering) g) 15. Oktober 2013 Folie 23

24 Ausblick Leichtbau und Elektromobilität Einfluss von Leichtbau und E-Mobilität auf das Treibhauspotential von Automobilen uivalente Elektromobilität Einbau neuer Komponenten (Batterien, E-Motoren) Rampup noch ineffizienter Produktionsverfahren Nutzung kritischer Rohstoffe break even Verwertun ng (Gutschrift t) uivalente Leichtbau und Materialreduktion von Lenkungen, tragenden Elementen, etc. Auslösen einer neg. Gewichtsspirale Verwertun ng (Gutschrift t) kg CO2 Äq kg CO2 Äq Rohstoffgewinnung und Herstellung Automobil Lebenszyklus (Kilometerleistung) Treibhauspotentialverursachung über den Lebenszyklus Herausforderung: Rohstoffgewinnung und Herstellung Automobil Lebenszyklus (Kilometerleistung) Potenziale und Bedarf einer negativen Gewichtsspirale Die Umweltwirkungen der Produktionsphase können nur durch konsequente Anwendung von Effizienzund Subsitutionsstrategien reduziert werden. Effizienz: ien Weitere Materialreduzierung ier durch Komponentenleichtbau; Innovative, ressourcenschonende rcenschonende Produktionsprozesse; Substitution: Materialsubstitution neue Werkstoffe, erneuerbare Energie,. (Quelle: Herrmann, C., Thiede, S., Luger, T., Zein, A., Stehr, J., Halubek, P., Torney, M., 2009: Automotive Life Cycle Engineering) g) 15. Oktober 2013 Folie 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Tina Dettmer, Prof. Christoph Herrmann, g / Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering