Nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau.

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1 Informationen der BMW Group April 2005 Nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau. Naturfasern als Werkstoffe sind hochwertige Alternativen zu synthetischen Fasern. Sie zeigen gute mechanische Eigenschaften, sind leicht und trotzdem stabil, und ihre Verwendung kann die Umwelt entlasten. Die BMW Group nutzt deshalb natürliche Fasern und andere Naturprodukte, wo immer dies technisch, ökologisch und ökonomisch sinnvoll ist. 1 BMW Group

2 Nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau Neben Metall, Kunststoff und Glas, den bekanntesten Materialien im Automobilbau, setzt die BMW Group in der Fahrzeugfertigung auch eine ganze Reihe nachwachsender Rohstoffe ein. Leder, Kautschuk und pflanzliche Öle gehören ebenso dazu wie Naturfasern. So enthält beispielsweise der BMW 7er insgesamt rund 24 Kilogramm nachwachsende Werkstoffe, davon über 13 Kilogramm Naturfasern. Nachhaltigkeit als Leitbild fest verankert Der bewusste Einsatz nachwachsender Rohstoffe im Automobilbau ist einer von vielen Beiträgen zum nachhaltigen Wirtschaften und zur Ressourcenschonung. Die BMW Group ist sich ihrer Verantwortung für Ressourcen und Umwelt bewusst. Dies bekräftigt auch ein Beschluss des Vorstands der BMW AG: Nachhaltigkeit entwickelt sich zum zentralen Leitbild für wirtschaftliche und soziale Prosperität sowie für das Zusammenspiel von Markt und Demokratie. Die BMW Group wird weiterhin die nachhaltige Entwicklung als richtungsweisendes Prinzip ihrer Unternehmensstrategie beachten. Im Vordergrund der Bewertung von Einzelmaßnahmen steht immer die ganzheitliche Betrachtung von Materialien, Prozessen und Produkten. Erst die Zusammenschau aller Vor- und Nachteile ermöglicht es, die insgesamt sinnvollste Lösung zu erkennen. Dies gilt auch für die Auswahl der geeigneten Werkstoffe. Hochwertige Rohstoffe aus der Natur Neben der Produktion von Nahrungsmitteln gehört die Produktion nachwachsender Rohstoffe schon immer zu den Hauptaufgaben der Landwirtschaft. Nachwachsende Rohstoffe sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden, lautet die offizielle Definition. Ob Holz, Fasern, Farben, Biodiesel, Öle oder Arzneimittel, viele wichtige und hochwertige Grundsubstanzen kommen aus der Natur. Durch moderne Technologien hat sich in jüngster Zeit das Spektrum enorm ausgeweitet. Ölpflanzen sind heute die weitaus am häufigsten genutzten nachwachsenden Rohstoffe, mit einigem Abstand gefolgt von Stärkepflanzen. Hinzu kommen Pflanzen, aus denen sich Fasern gewinnen lassen und eine Vielzahl von Arzneikräutern als wertvolle Ausgangsprodukte für Medikamente. Mitunter können Ackerfrüchte sogar fossile Rohstoffe ersetzen. Fürdie Automobilindustrie stehen neben Leder für die Innenausstattung und Kautschuk für die Reifen natürliche Fasern als attraktive Werkstoffe im Vordergrund. So finden beispielsweise in den Fahrzeugen der BMW 7er Reihe Flachs- und Sisalfasern in Türverkleidungen Verwendung, Baumwollfasern stecken in den Schallisolierungen, Wollfasern in Oberflächenbezügen und Holzfasern werden in den Sitzlehnenverkleidungen verwendet. Von der Natur optimiert Pflanzliche Fasern bestehen hauptsächlich aus Zellulose; werden sie aus Pflanzenstängeln gewonnen, nennt man sie Bastfasern. Ihre wichtigsten Vertreter sind Flachs, Hanf, Jute und Kenaf. Im Gegensatz dazu gibt es auch sogenannte Hartfasern, die aus Blättern, Blattsscheiden oder Früchten stammen; zu ihnen gehören beispielsweise Sisal und Kokos. Aber auch Holz hat durchaus Bedeutung als Faserlieferant. In der industriellen Fertigung von Fahrzeugen verwendet man die Fasern nicht in ihrer ursprünglichen Form, sondern verarbeitet sie zusammen mit anderen Komponenten zu Werkstoffen, um auf diese Weise optimale Eigenschaften zu erzielen. Derartige Materialien sind also Verbundwerkstoffe, bei denen die Fasern in eine sogenannte Matrix aus Polymeren eingebettet werden. Viele natürliche Fasern können bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit technischen Fasern wie Glasfasern konkurrieren, denn sie wurden in Jahrmillionen von der Natur optimiert. Sie haben günstige mechanische Eigenschaften, weisen eine hohe Zugfestigkeit, Haltbarkeit und Steifigkeit auf, lassen sich gut verarbeiten und sind leichter als Glasfasern. Damit eignen sie sich hervorragend als Verstärkung in Verbundmaterialien, denn die Matrix, die meist aus Kunststoff besteht, hat im allgemeinen eine geringe Zugfestigkeit und lässt sich leicht dehnen. Somit ergänzen sich die Eigenschaften von Faser und Matrix optimal. Kriterien bei der Werkstoffauswahl Technische Eigenschaften Gewicht, Werkstoffdichte Festigkeit, Schlagzähigkeit Sicherheit/Crash Befestigungskonzept Lebensdauer Optik, Haptik Geometriefähigkeit Werkstoffauswahl Ökonomie Rohstoffe Herstellverfahren Ökologie Emissionen/Inhaltsstoffe Energie-/CO 2 -Bilanz Verwertung/Recycling Arbeitssicherheit 2

3 Nachwachsend ist nicht gleich Recycling Nachwachsende Rohstoffe werden häufig in Zusammenhang mit der Diskussion um das Recycling von Altfahrzeugen ins Gespräch gebracht. Nicht zuletzt deshalb, weil oft nachwachsend mit biologisch abbaubar gleichgesetzt wird. Im Prinzip haben Naturfasern jedoch nur vordergründig mit dem Bestreben um eine möglichst hohe Rezyklierbarkeit von Fahrzeugen zu tun. Ihr Einsatz an sich stellt noch kein Recyclingkonzept dar. Denn aus technischen Gründen muss die biologische Abbaubarkeit (Verrottung) der im Auto eingesetzten Pflanzenfasern sogar verhindert werden. Gilt es doch, eine Dauerstabilität der Teile weltweit unter allen Klimabedingungen über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs zu gewährleisten. Auch deshalb werden in den aktuellen Konzepten die Fasern in spezielle Kunststoffe als Bindemittel eingeschlossen. Diese Bindemittel umschließen die Faseroberfläche und schützen sie vor Feuchtigkeit und Mikroorganismen. So wird verhindert, dass die Naturfasern verrotten. Zusammenarbeit von Automobilindustrie und Landwirtschaft Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe im Automobilbau ist in der BMW Group keine neue Idee. Bereits Anfang der 90er Jahre begann das Unternehmen, sich auf diesem Gebiet mit Projekten zum Einsatz pflanzlicher Fasern zu engagieren. In einem Pilotprojekt der BMW Group mit einer Partnerfirma sowie einem Vliesstoffhersteller wurden damals auch das bayerische Landwirtschaftsministerium und eine Flachsmanagementgesellschaft eingebunden. Hintergrund war die Landwirtschaftspolitik der Europäischen Union, die einer Überproduktion von Nahrungsmitteln entgegen wirken wollte. Dabei wurde jedem europäischen Landwirt vorgeschrieben, gegen entsprechende Ausgleichszahlungen, einen bestimmten Anteil seiner Ackerflächen stillzulegen. Um dennoch eine sinnvolle Bewirtschaftung zu erreichen, war aber die Produktion von nachwachsenden Rohstoffen auf den betreffenden Flächen erlaubt. Diese Bemühungen, die Produktion nachwachsender Rohstoffe zu fördern haben sich bezahlt gemacht. Während die Industrie die benötigten Fasern, wie beispielsweise Flachs, früher noch aus dem Ausland importieren musste, kann die heimische Landwirtschaft mittlerweile einen beträchtlichen Anteil selbst decken. In diesem Zusammenhang ist auch die Mitgliedschaft der BMW Group im gemeinnützigen Verein C.A.R.M.E.N. zu sehen. Der Name steht für Centrales Agrar-Rohstoff-Marketing und Entwicklungs-Netzwerk. Der Verein hat sich zum Ziel gesetzt, Forschung und Entwicklung zur Nutzung einheimischer nachwachsender Rohstoffe zu fördern. Experten schätzen, dass der mittelfristige Bedarf an Naturfasern für die deutsche Automobilindustrie bis zu Tonnen pro Jahr betragen wird benötigte allein die BMW Group für die Produktion ihrer Fahrzeuge über Tonnen Naturfasern. Türverkleidungsträger im BMW 3er Leichtbaupotenzial Faserverbundwerkstoffe haben ein hohes Leichtbaupotenzial. Durch geeignete Kombination von Fasern und Matrix kann man die gewünschten Eigenschaften in weiten Grenzen durch die Art der Produktion beeinflussen. Damit sind sie für die unterschiedlichsten Bauteile geeignet. Man kann heute schon Faserverbund-Bauteile herstellen, die um bis zu 40 Prozent leichter sind als vergleichbare Spritzgussbauteile aus Kunststoff. Angesichts immer knapper werdender Ressourcen bietet die Einbeziehung natürlicher Fasern hier eine ökologisch und technisch sehr günstige Lösung. 3

4 Schallisolierung: Verkleidungen Fußraum aus Mischfaservlies im BMW 7er Von der Pflanze zum Bauteil Wie entsteht nun ein naturfaserverstärktes Bauteil? Im Grunde nicht anders als eines aus technischen Werkstoffen. Zunächst verarbeitet der Zulieferer die Naturfasern oft Flachs zu gleichmäßigen Fasermatten, sogenannten Vliesen. Dazu löst man die Faserbündel auf und verteilt die Einzelfasern so, dass sie einen feinfaserigen Flor ergeben. Je nachdem, wie dick das fertige Bauteil später sein soll, kann man mehrere Lagen des Flors aufeinander legen, die anschließend durch Stiche miteinander verbunden und zugeschnitten werden. Falls nicht schon thermoplastische, also aufschmelzbare Fasern mit in das Vlies eingearbeitet worden sind, besteht der nächste Schritt darin, die Vliese mit der Trägermatrix, also dem Bindemittel, zu imprägnieren. Es kann aus den unterschiedlichsten Werkstoffen bestehen, von Acrylaten über Phenolharze bis hin zu Polyurethan oder künftig möglicherweise sogar Biopolymeren. Gemeinsam ist all diesen duroplastischen Materialien die Eigenschaft, unter Wärmeeinwirkung oder mittels zweier Reaktionspartner langkettige Moleküle in Form eines festen Netzwerkes zu bilden, das sich seinerseits mit den verstärkenden Fasern verbindet. Optional angewendete zusätzliche Haftvermittler tragen dazu bei, die Kraftübertragung zwischen Fasern und Bindemittel (Matrix) zu verbessern. Konturen entstehen Die entweder mit den thermoplastischen Fasern gemischte oder mit Harz getränkte Matte wandert nun in eine Form, der Fachmann spricht von Werkzeug, die ihr in einer Presse bei hohem Druck und einer Temperatur bis zu 190 Grad Celsius die gewünschte Teilekontur gibt. Nach dem Abkühlen ist der Materialverbund ausgehärtet, die Presse wird geöffnet und das Bauteil aus dem Werkzeug herausgenommen. Falls nötig, lassen sich anschließend noch Öffnungen ausstanzen oder weitere Elemente anpressen. Mit Hilfe moderner Fertigungstechnik dauert das Formen eines solchen Rohteils heute maximal eine Minute. Die Vorteile natürlicher Werkstoffe Im Sinne eines umfassenden Nachhaltigkeitsansatzes zählt für die BMW Group immer die ganzheitliche Sicht, die neben ökologischen auch die ökonomischen und sozialen Aspekte mit berücksichtigt. So gesehen bietet der Einsatz nachwachsender Rohstoffe im Automobilbau eine ganze Reihe von Vorteilen: Dimension Technik Die technischen Vorteile von naturfaserverstärkten Bauteilen haben sich inzwischen in der Praxis bewährt: Das Material ist leicht, hat dabei günstige mechanische und akustische Eigenschaften, zeigt ein gutes Dämpfungsverhalten, geringe Splitterneigung und damit auch ein positives Crash-Verhalten. Außerdem verursacht es einen geringen Werkzeugverschleiß und lässt sich vielseitig be- und verarbeiten. Dimension Wirtschaft Die wirtschaftlichen Vorteile sind ebenfalls nicht von der Hand zu weisen und konnten im Großserieneinsatz bereits nachgewiesen werden. Nachwachsende Rohstoffe sind kostengünstig, vor allem wenn technisch weiterentwickelte Ernte- und Aufbereitungsverfahren eingesetzt werden. Sie verbessern auch die Einkommenssituation für die Landwirtschaft. Dimension Ökologie Mit am wichtigsten sind aber die ökologischen Vorteile: Bei den nachwachsenden Rohstoffen handelt es sich um erneuerbare Ressourcen mit einer sehr günstigen CO 2 - und Energiebilanz. Die Pflanze bindet im Lauf ihres Wachstums Kohlenstoff, den sie in Form von Kohlendioxid der Luft und damit der Erdatmosphäre entzieht. Sie trägt also zunächst zu einer Verminderung des Treibhausgases CO 2 bei. Wenn am Ende seiner Lebenszeit das Fahrzeug verschrottet und dabei wieder Kohlendioxid frei wird, ist dies nicht mehr als die Menge, die vorher gebunden wurde. Es handelt sich also um einen Kreislaufprozess. Natürlich ist für die Verarbeitung der Pflanzen und die Herstellung der Bauteile weitere Energie nötig. Insgesamt gesehen sind die Energie- und CO 2 -Bilanz bei nachwachsenden Rohstoffen jedoch weitaus günstiger als bei vergleichbaren technischen Materialien, vor allem dann, wenn man das Leichtbaupotenzial dieser Verbundwerkstoffe ausnutzen kann. Dies sei an einem Beispiel verdeutlicht: Die von der Saat der Pflanzen bis zur Herstellung des fertigen Naturfaservlieses benötigte Energie beträgt nur rund ein Fünftel der Menge, die zur Herstellung von Glasfaser-Vliesen nötig ist. Gleichzeitig lassen sich zum Beispiel bei Tür-Innenverkleidungen Gewichtseinsparungen realisieren. Diese führen während der Gebrauchsphase des Fahrzeugs zu einem geringeren Kraftstoffbedarf und somit zu einer weiteren deutlichen Reduktion des Energieverbrauchs und der CO 2 -Emissionen. 4

5 Die Naturfaser vom Anbau bis zur Wiederverwertung z.b. Methanol Wärme Dampf Strom Gase (CO 2 ) Faserpflanzenanbau, Ernte Verwertung rohstofflich Fahrzeugverwertung energetisch Feststoffe (Asche) Fasergewinnung Faserverarbeitung zu Vliesen (Matten) Herstellung Einsatz im Fahrzeug Nutzung Fahrzeugmontage Bauteilherstellung aus Fasern und Bindemitteln 5

6 Recycling und Wiederverwertung Bauteile aus naturfaserverstärkten Verbundwerkstoffen lassen sich auch nach der Verwertung des Fahrzeugs nutzen, etwa durch den Einsatz als Energielieferant in Kraftwerken und anderen industriellen Anlagen. Der Vorgang ist, wie oben geschildert, weitgehend CO 2 - neutral und im Gegensatz zur Verbrennung beispielsweise von Glasfaserverbunden rückstandsarm. Trotz der Vorteile der nachwachsenden Rohstoffe ergibt sich ein Zielkonflikt mit den Verwertungsvorgaben der EU-Richtlinie über Altfahrzeuge (2000/53/EC). Diese schreibt vor, dass nur eine sehr geringe Quote von Material energetisch verwertet werden darf. Der weitaus größere Teil muss recycelt, also stofflich verwertet werden. Die werkstoffliche Verwertung, bei der das Material für neue Produkte verwendet wird, erfordert jedoch sehr viel Energie, sehr großen Aufwand und ist daher aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen nicht sinnvoll. Bleibt die rohstoffliche Verwertung, bei der zum Beispiel in einem speziellen und ebenfalls aufwändigen Verfahren Methanol gewonnen werden kann. Diese Verwertungsvorgaben könnten Automobilkonstrukteure fallweise dazu zwingen, auf andere, bezüglich Leichtbau, Energie- und CO 2 -Bilanz ungünstigere Materialien auszuweichen. bei der Qualität garantiert. Die BMW Group arbeitet hier konsequent daran, die bestehenden Entwicklungspotenziale auszuschöpfen. Um das Recycling zu erleichtern ist es sinnvoll, Bauteilgruppen möglichst aus nur einem Werkstoff herzustellen. So entfallen aufwändige Trennverfahren bei der Demontage. Im Bereich der naturfaserverstärkten Bauteile ist hierfür ebenfalls noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig. Je genauer die Naturfasern auf ihre Anwendung zugeschnitten sind, desto leichter lassen sie sich verarbeiten und desto besser lassen sich ihre Vorteile zur Geltung bringen. Nach wie vor wird aber der Hauptanteil natürlich erzeugter Fasern in der Textilindustrie verarbeitet; nur ein relativ geringer Prozentsatz geht in die Automobilproduktion. Wenn es jedoch gelingt, die für automobile Zwecke benötigten Fasern noch zielgerichteterzu gewinnen, aufzuschließen und zu verarbeiten, kann das Eigenschaftsspektrum dieser nachwachsenden Rohstoffe weiter optimiert werden. Damit lässt sich bei der Verarbeitung insbesondere das Verstärkungspotenzial von Naturfasern noch besser nutzen: Dünnere Wandstärken sind möglich, die Teile könnten leichter werden, ohne an Festigkeit zu verlieren. Bauteile aus nachwachsenden Rohstoffen im BMW 3er Bisher werden die Naturfasern im Allgemeinen mit einer Kunststoffmatrix kombiniert. Ziel der Entwicklung ist es, auch die Matrixsysteme aus natürlich basierten Werkstoffen herzustellen. Bisher ist dies erst im Labormaßstab gelungen, für einen Serieneinsatz sind die Kosten noch zu hoch. Um sie zu reduzieren, arbeitet die BMW Group an der Optimierung erster Entwicklungstypen. Während derzeit das Pressverfahren die am häufigsten angewandte Technologie für nachwachsende Rohstoffe ist, werden in Zukunft auch alternative Verarbeitungsverfahren wie etwa das Spritzgießen einsetzbar werden. Daneben ermöglicht es das Mischen verschiedener Fasersorten bessere Gesamteigenschaften der Verbundwerkstoffe zu erzielen. Um die Potenziale nachwachsender Rohstoffe noch besser zu nutzen und die Anwendungsmöglichkeiten weiterzuentwickeln arbeiten die Automobilhersteller, Zulieferer und Forschungsinstitute eng zusammen, unter anderem im Arbeitskreis Naturfaserverstärkte Polymere. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, die Anwendung naturfaserverstärkter Polymere zu forcieren. 6 BMW Group Technologiekommunikation Bildquellen: BMW Group, C.A.R.M.E.N., photodisc, Polytec, Getty Images Weitere Informationen im Internet: Stand 04/2005 Aussichten für die Zukunft Wie bei allen Naturprodukten zeigen auch Naturfasern leicht variierende Eigenschaften, je nach Anbaugebiet, Wetter oder jahreszeitlichen Schwankungen. Um immer eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile zu erzielen, ist deshalb eine ausgereifte Verarbeitungstechnologie gefragt, die möglichst geringe Toleranzen Eine intakte Umwelt ist eine wichtige Voraussetzung für ökonomische und soziale Prosperität kommender Generationen. Nachhaltigkeit wird daher zum richtungsweisenden Prinzip, dem sich auch die BMW Group verpflichtet fühlt. Nachwachsende Rohstoffe eröffnen hier die Möglichkeit natürliche Ressourcen zu schonen: Ihre CO 2 -Bilanz ist ausgeglichen und der Energieaufwand bei der Weiterverarbeitung ist geringer als bei vergleichbaren künstlichen Werkstoffen. Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe bei der Automobilherstellung soll daher so weit wie möglich weiter vorangetrieben werden zum Vorteil aller und im Sinne einer nachhaltigen Wirtschaft.