Strukturbrüche in der Produktion: Veränderung der Produktionstechnik durch die Elektromobilität

Transkript

1 Strukturbrüche in der Produktion: Veränderung der Produktionstechnik durch die Elektromobilität Prof. Dr. Ing. Achim Kampker 1 Dipl. Ing. Peter Burggräf 1 Dipl. Ing. Dipl. Wirt. Ing Carsten Nee 1 Elektrofahrzeuge haben trotz positiver ökologischer und gesellschaftlicher Eigenschaften eine breite Diffusion am Markt noch nicht erreichen können. Dies ist überwiegend auf die preisliche Unattraktivität dieser Fahrzeuge zurückzuführen. Dabei werden bisher die Produkt und Produktionspotenziale nicht ausgeschöpft, um Elektrofahrzeuge günstiger herzustellen und damit anbieten zu können. Fahrzeuge mit neuartigen Antriebskonzepten liegen weit über den Zielkostenpreisen, die sie am Markt attraktiv machen würden. Heutige Elektrofahrzeuge sind doppelt so teuer wie konventionell angetriebene Fahrzeuge im gleichen Segment und damit für Kunden nur in Ausnahmefällen interessant. Dies geht einher mit den niedrigen Mengen an nachgefragten Elektrofahrzeugen. Ein Teufelskreis bildet sich, da gerade höhere Stückzahlen zu Skaleneffekten einer Massenproduktion führen würden und damit deutlich günstigere Preise möglich wären (Abbildung 1). Preisliche Unattraktivität für Kunden Geringe Skaleneffekte Hohe Produktionskosten durch geringe Stückzahlen Weitergabe der Kosten an Kunden Herstellkosten Zielkosten Stückzahl Abbildung 1: Teufelskreis der wirtschaftlichen Unattraktivität für Elektrofahrzeuge Um den Teufelskreis der wirtschaftlichen Unattraktivität zu durchbrechen, bedarf es einer Elektrofahrzeugproduktion, die sich den spezifischen Anforderungen der Elektromobilität stellt und vorhandene Produktionsstrukturen neu durchdenkt, um wettbewerbsfähige Kosten zu erreichen. Die zu betrachtenden Anforderungen an die Elektromobilproduktion sind vielfältig und komplex. Neben den umfangreichen Veränderungen im Antriebsstrang (Tabelle 1) sind im Wesentlichen auch die damit verbunden Strukturbrüche in der Produktion zu nennen. Tabelle 1: Veränderungen im Antriebsstrang 1 Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Produktionsmanagement

2 Obsolete Verbrennungsmotor (Motorblock, Kolben, Dichtungen, Ventile, Nockenwelle, Ölwanne, Ölfilter, Lager, ) Tanksystem Einspritzanlage Kupplung Abgasanlage Nebenaggregate (Ölpumpe, Turbolader, Lichtmaschine, ) Stark veränderte Getriebe Radaufhängung Kraftübertragung Klimaanlage, Heizung Kühlwasserpumpe Wärmedämmung Hinzukommende Elektromotor (und weitere Antriebselemente) Leistungselektronik Batteriesystem (Akkumulator, Batteriemanagement, Batterielagerung) Nicht nur die große Anzahl an obsoleten des Antriebsstrangs, sondern auch hinzukommende, die in ihren Anforderungen an die Produktionstechnik kaum unterschiedlicher sein könnten, führen zu einer neuen Bedeutung der Fertigungsverfahren in der Automobilindustrie. Elektromotor Besteht ein aktueller Verbrennungsmotor heute durchschnittlich aus Bauteilen, kommt ein Elektroantrieb nur auf etwas mehr als 200 Bauteile. Betroffen ist das größte Betätigungsfeld der Werkzeugmaschinen, die Automobil und die Automobilzuliefererindustrie (Abnehmer für 31% der Maschinen der deutschen Werkzeugmaschinenindustrie). 2 Zum Beispiel führt der Elektroantrieb zu einer Reduzierung der Zerspanungshauptzeiten (Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen) um 74% (Abbildung 2). Ein Nebeneffekt der Reduzierten Komplexität ist, dass der Aufbau einer Dieselmotorenfertigung 200 Mio. Euro kostet, wohingegen die Motorenfertigung für gleich starke Elektromotoren lediglich ein Investitionsvolumen von 5 Mio. Euro besitzt. 3 2 VDW, Deutsche Werkzeugmaschinenindustrie Daten und Fakten, Bain and Company (2011): Warum Elektromobilität ein echter und nachhaltiger Systemwechsel ist, S. 8.

3 140% 120% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 126% 110% 110% 108% 101% 80% 60% 40% 20% 0% Verbrennungskraftmaschine Hybridantrieb 74% 53% Drehen Fräsen Bohren Schleifen Die Bedeutung der Zerspanungstechnologien nimmt beim Elektroantrieb deutlich ab. 26% 29% 22% 22% Elektroantrieb Prozentuale Zerspanungshauptzeiten Abbildung 2: Die Elektromobil für zu einer deutlich niedrigeren Bedeutung der Zerspantechnologie 4 Batterie Den größten Kostenblock eines Elektrofahrzeugs stellt die Batterie mit 40 60% der Gesamtkosten dar. Eine Herausforderung der heutigen Elektrofahrzeugproduktion liegt darin, die Mehrkosten der Batterie durch Kosteninnovationen im Gesamtfahrzeug auszugleichen. Unter Kosteninnovation wird die Hervorbringung, Einführung und Durchsetzung von Elementen, Systemen oder Prozessen verstanden, die neuartig sind und zu massiven Kosteneinsparungen führen. Der Batterieproduktionsprozess zeichnet sich durch bis zu 150 Aluminium Ultraschallschweißverbindungen zwischen Stromableiter und Kontaktfahne pro Batteriezelle (entsprechend ein Vielfaches beim Batteriepack) aus. Damit ist die Batterie nur ein Beispiel für die steigende Bedeutung von Schweißprozessen in der Elektromobilproduktion. Stand der Technik ist die Verschraubung der Batteriezellen zu einem Batteriepack. Einige Hersteller konnten eine Kosteninnovation für sich gewinnen, indem die Zellen ebenfalls verscheißt werden; ein kritischer Prozess auf Grund der Wärmeeinleitung in die Batteriezellen. Leistungselektronik Die Leistungselektronik besteht aus einem Mikroprozessor und einem Inverter, der die Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung zur Speisung des Motors wandelt. Die Leistung des Motors wird über die Kontrolle von Spannung und Frequenz der Ausgangsleistung festgelegt. Inverter werden heute bereits für viele Anwendungszwecke eingesetzt; allerdings existiert für die Leistungsdimensionierung, wie sie für Elektrofahrzeuge benötigt wird, noch keine Großserienfertigung. Aktuell in E Fahrzeugen verbaute Inverter besitzen Herstellkosten von ca. 600 Euro, 60% davon sind auf Materialkosten, 10% auf Lohnkosten zurückzuführen (30% Overhead und Abschreibungen). Gesamtfahrzeug Weitere Veränderungen werden durch das Mehrgewicht des elektrischen Antriebsstrangs hervorgerufen. Ein Zusatzgewicht von mehr als 150 kg gegenüber dem konventionellen 4 Abele et al., Wandel im PKW Antriebsstrang: Auswirkungen auf Produktionskonzepte. Maschinen und Metallbearbeitung, 2009

4 Antriebsstrang (mit leerem Tank) führen dazu, dass wirtschaftlicher Leichtbau für Elektrofahrzeuge einen großen Stellenwert einnimmt (Abbildung 3). Antriebseinheit Umrichter Ladegerät Batterie Sonstiges Verbrennungskraftmaschine Elektroantrieb +84% Motor Getriebe Kupplung Abgasanlage Tank Abbildung 3: Gewichtszunahme des Antriebsstrangs bedingt wirtschaftlichen Leichtbau Wirtschaftlicher Leichtbau legt den Fokus auf eine kostengünstige Einsparung von Gewicht, beispielsweise durch eine Kunststoffaußenhaut des Fahrzeugs. Vergleicht man die Material und Herstellkosten für Elektrofahrzeuge bei Auswahl unterschiedlicher Leichtbaumaterialien für die Strukturteile des Fahrzeugs, so erkennt man, dass die Zielkosten aktuell nur durch Werkstoffe wie hochfestem Stahl und Aluminium erreicht werden können. Bei einer Preisbereitschaft der OEMs von aktuell 11,50 pro kg Gewichtsersparnis, welche sich unter anderem aus den durch die Gewichtsreduzierung eingesparten Batteriekosten ergibt, ist CFK als Werkstoff für die Massenproduktion mit einem Preis von ca. 60 pro kg Gewichtsersparnis zum jetzigen Zeitpunkt noch unattraktiv. Erste Elektrofahrzeuge nutzen die Leichtbaupotenziale von Kunststoff (Spritzguss, Thermoformen, SMC Pressen) mit Gewichtsreduktionen von bis zu 70% in der Fahrzeugaußenhaut und einer verbesserten Fahrdynamik gegenüber dem Einsatz von Stahl. Es gilt deshalb die Verarbeitungs und Fertigungsverfahren zu optimieren, um diese enormen Potenziale nutzen zu können. Der erweiterte Einsatz von Kunststoff für die Fahrzeugaußenhaut macht die Kunststoffverarbeitung zu einer Produktionskompetenz mit dem größten Wachstum in den nächsten 20 Jahren (neben der Mikro System Produktionskompetenz). 5 Eine Umfrage vom Fraunhofer ISI, VDW und VDMA spiegelt genannte Veränderungen durch die Elektromobilität in der Produktionstechnik wider. Während spanender Bearbeitung der geringste Bedeutungszuwachs zugeschrieben wird, nehmen das Ziehen und Biegen (z.b. Drahtziehen und wickeln für Elektromotoren) sowie das Schweißen (z.b. Verschweißung von Kontakten in der Batterieproduktion) am meisten zu (Abbildung 4). 5 McKinsey und WZL der RWTH Aachen Boost! Transforming the Powertrain Value Chain.

5 Veränderungen bei den Produktionstechnologien Pressen/ Ziehen/ Biegen Stanzen Stark abnehmende Bedeutung Stark zunehmende Bedeutung Schweißen Schleifen Verzahnen Drehen Fräsen Bohren = Mittelwert Abbildung 4: Veränderungen in der Produktionstechnologie 6 Die zunehmende Anzahl an Elektrofahrzeugen auf den Straßen wird die Produktionstechnik in der Automobilindustrie maßgeblich verändern. Nicht nur der prognostizierte Stückzahlanstieg von einer Klein in eine Großserienproduktion, sondern auch die Veränderung der Bedeutung der Fertigungsverfahren selbst werden die Produktionstechnik für Elektrofahrzeuge massiv beeinflussen. Die Etablierung innovativer und anforderungsgerechter Produktionstechnik ist Hauptstellhebel für die Kostenreduktion bei Elektrofahrzeugen und ermöglicht den Teufelskreis wirtschaftlicher Unattraktivität zu durchbrechen. 6 Fraunhofer ISI, VDW, VDMA; Online Umfrage Veränderungen des Kfz Antriebsstrangs, 2010, n = 70.