So funktioniert Circular Economy in der Automobilindustrie

Der große Hebel, um den CO₂-Footprint der Fahrzeugproduktion zu reduzieren, ist auf modulares Design für eine Kreislaufwirtschaft von Fahrzeugen zu setzen. So sieht es Stefan Caba, Leiter Innovationsfeld Nachhaltige Fahrzeugentwicklung bei der EDAG Engineering GmbH. Als Mittel zur Reduktion des CO₂-Ausstoßes spricht Caba von den '3Rs' - Reduktion, Recycling und Re-use. Die Circular Economy ist laut Caba somit der Schlüssel zur CO₂-Reduktion. „Circular Economy heißt im Voraus zu überlegen, was ich mit jedem Bauteil am Ende des Lebenszyklus machen kann“, erklärt Caba.

EDAG hat genau wie andere Automobilzulieferer als Kunden Automobilkonzerne, die konkrete CO₂-Ziele haben. „Die Frage ist, was muss ich investieren, um CO₂-Emissionen zu vermeiden?“, sagt Caba. Dazu besagt laut Caba eine Studie von E&Y, dass man circa ein Prozent vom Umsatz investieren müsse, um CO₂-Emissionen zu vermeiden. Das gehe vom Gewinn verloren.

CO₂-Footprint: Unterschiede zwischen Produktion und Betrieb

„Doch umso früher man anfängt, desto eher wird man sich Vorteile erarbeiten. Sonst bin ich irgendwann in der Situation, dass ich mir Zertifikate kaufen muss, die immer teurer werden. Die Nachricht lautet somit: Fangen Sie lieber gleich an, sich Gedanken zu machen, denn es wird sich auszahlen“, betont Caba.

Caba zieht einen Vergleich zwischen einem heutigen Fahrzeug (Verbrenner) und einem Flugzeug, denn da verursacht jeweils die Herstellung ungefähr ein Viertel der Emissionen. Der Rest entsteht durch das Verbrennen des Kraftstoffs. „Bei einem Elektrofahrzeug geht dieser Anteil aus dem Lebenszyklus zurück. Denn bei der Verwendung von Windstrom wäre der Betrieb eines E-Autos zwar CO₂-neutral, doch der CO₂-Fußabdruck eines E-Autos in der Produktion ist wiederum höher als bei der Herstellung eines Verbrennerfahrzeugs“, schränkt Caba ein.

Aluminium von der CO₂-Bilanz schlechter als Stahl

Das betreffe nicht nur die Batterie, sondern auch den Rest des Fahrzeugs. „Denn die E-Fahrzeuge sind schwerer und es wird aktuell Aluminium verwendet, das von der CO₂-Bilanz noch etwas schlechter als Stahl ist“, gibt Caba zu Bedenken.

Demnach machen laut Caba die Emissionen, die aus den Materialien kommen, den Großteil von dem aus, was später für den Autobau benötigt wird. Somit werde der CO₂-Fußabdruck bei mit Grünstrom betriebenen E-Autos aktuell in der Produktion erzeugt.

„Doch die Produktioner sind daran nicht unbedingt schuld, denn schuld an dieser Emission ist eigentlich derjenige, der das Produkt konstruiert hat. Denn schon in der Konzeptphase lege ich fest, welche Emissionen erzeugt werden. So ist es schlichtweg nicht möglich, in einer laufenden Produktion den CO₂-Ausstoß um die Hälfte zu reduzieren, wenn ohnehin schon Ökostrom im Einsatz ist“, erläutert Caba.

Konstruktion und Material für CO₂-Footprint entscheidend

So müsse das Produkt im Vornherein so konstruiert werden, dass es wenig CO₂-Emissionen hat. „Das ist der Bereich, in dem wir als EDAG arbeiten. Wir messen schon während der Konzeptionsphase - zumindest mit groben Werten - die zu entstehenden Emissionen. Das ist sehr wichtig“, unterstreicht Caba. Auch dabei sei die Materialauswahl ein wichtiger Faktor. So sei Nachhaltigkeit ein entscheidendes Kriterium bei der Materialauswahl, was es laut Caba jahrzehntelang nicht war.

„Für uns ist es auch wichtig, dass wir von den Primärmaterialien wie Aluminium und Stahl hin kommen zu Sekundärmaterialien - recycelten Materialien - oder gar auf erneuerbar erzeugte Materialien“, beschreibt Caba. So könne sich das Global-Warming-Potential ohne größere Probleme um über 90 Prozent verringern. Das gelte auch für Kunststoffe.

Verbrauch von Ressourcen durch Circular Economy reduzieren

Caba ist auch der Meinung, dass man im Auto noch viel mehr machen kann. „Man muss nur den Mut aufbringen, dem OEM zu sagen, das ein Bauteil zwar mit den vorgeschriebenen 20 Prozent Recycling-Anteil produziert werden kann, aber letztlich müsse man komplettes Recycling ausprobieren.“

Es könne eventuell sein, dass ein Bauteil dann zehn Gramm schwerer werde, aber diese zehn Gramm dafür CO₂-neutral herzustellen sei einfach besser, als dieses Gewicht einzusparen. So zumindest beim Auto, findet Caba.

Caba verweist auch darauf, dass aktuell viele Tonnen von Material bewegt werden müssen, um im Endeffekt eine Tonne brauchbares Material für die Fahrzeugproduktion zu erhalten. „Forciere ich hingegen die Kreislaufwirtschaft, reduziere ich auch den Verbrauch von Ressourcen. Circular Economy heißt aber nicht nur, dass ich Recycling verwende. Circular Economy heißt im Voraus zu überlegen, wie ich ein Bauteil gestalten muss und was ich mit diesem am Ende des Lebenszyklus machen kann“, findet Caba. Davon sei die Automobilindustrie allerdings noch weit entfernt.

Erster Schritt zur Vermeidung von CO₂: Reparaturfähigkeit

Zuallererst müsse aber Reparaturfähigkeit hergestellt werden. „Das ist der kleinste Kreis, aber das ist der, mit den wenigsten Aufwänden. Denn ich benötige fast keine Energie, um etwas zu reparieren“, betont Caba.

Im Anschluss folge dann, eine Wiederverwendung herzustellen. „Denn eine Wiederverwendung von Bauteilen heißt, es könnten theoretisch ganz viele Bauteile aus dem Auto ausgebaut werden und in das nächste Auto wieder als Ersatzteil eingebaut werden“, verdeutlicht Caba.

Manchmal sei dafür eine Überarbeitung erforderlich. „Das wäre dann das Re-Manufacturing oder Refurbishing. Auch das ist sehr gut in der CO₂-Bilanz. Nebenbei erwähnt, dies ergibt viel bessere Margen, als einfach neue Teile herzustellen“, skizziert Caba auf.

Wiederverwendung von CFK als Hebel zur CO₂-Minimierung

Denn im Endeffekt kaufe man alte, nahezu kostenfreie Bauteile ein, modifiziere diese ein wenig, so dass sie wieder funktionieren, und schicke sie als Ersatzteil für den x-fachen Wert zurück. „Diese Teile sind nur unwesentlich günstiger als ein Neuteil, aber die Margen sind weitaus höher. Erst danach sollten wir über Recycling nachdenken“, stellt Caba dar.

Diese Thematik erläutert Caba nachfolgend anhand zweier Projektbeispiele. Im ersten geht es um Fiber Re-Use: „Wir haben im Auto aktuell abgesehen von Sportwagen ziemlich wenig CFK im Einsatz – schlichtweg, weil es zu teuer ist“, sagt Caba.

Doch wenn die Autoindustrie diese Fasern einfach länger nutzen würde, dann könnten sie laut Caba ihren Leichtbau ausspielen und die Emissionen ließen sich über weitaus mehr Nutzungszeit berechnen. „Genau das haben wir ausprobiert, indem wir eine Fahrzeugplattform mit einem hohen Faserverbund-Anteil erstellt haben. Diese Plattform ist besonders leicht und wird das Fahrzeug überleben. Das heißt, wir verwenden unsere Plattform, die keine großen Umwelteinflüsse hat, über mehrere Fahrzeuggenerationen weiter“, berichtet Caba.

Er spricht davon, diese bis zu sieben Mal wieder zu verwenden. „In diesem Fall kann sich das Ganze auszahlen und so können wir diesen großen Vorteil überhaupt nutzen. Im Endeffekt fertigen wir das Auto ähnlich einem Flugzeug, denn das Flugzeug hat schon heute viel mehr Betriebsstunden. Ein Auto fährt aktuell hingegen nur 4.000 Stunden und wird dann verschrottet. Das Flugzeug leistet dies allein in einem Jahr“, rechnet Caba vor.

Gebrauchte Bauteile inspizieren, überarbeiten und wieder verwenden

So ist die Vorgehensweise laut Caba, Neubauteile zusammen zu bauen, sie zu nutzen und dann wieder zu zerlegen. „Ein großer Teil des Autos geht zwar weiter ins Recycling, so ehrlich muss man sein. Aber unsere Bauteile sollen inspiziert werden, gegebenenfalls überarbeitet und dann wieder zurück in den Aufbau gelangen“, so Caba.

Das müsse erstmal vermittelt werden, dass jemand gebrauchte Bauteile neben Neubauteilen in die Produktion bringe. „Deswegen denken wir für diese Anwendungsart nicht unbedingt an den Endkunden, der beispielsweise eine klassische C-Klasse baut, sondern eher an Car-Sharing-Fahrzeuge, bei denen der Besitzer zwischendurch gar nicht wechselt“, klärt Caba auf.

Bauteile müssen zugunsten der Wiederverwendung trennbar sein

Im zweiten Projektbeispiel verweist Caba darauf, dass es enorm wichtig ist, daran zu denken, Bauteile wieder voneinander trennen zu können. Denn gerade CFK werde meistens geklebt. Und Geklebtes sei schwer zu trennen, weil es sich per Definition um eine nicht lösbare Verbindung handele.

„Doch dazu haben wir etwas ausprobiert, wo wir ziemlich ebene Oberflächen haben, die wir zusammenkleben. Wir haben hier Profile in einer Dimension, wo wir deren Querschnitt nicht ändern. Dann haben wir es geschafft, zwei miteinander verklebte Bauteile an der Klebestelle durchzusägen. So kann man diese wieder voneinander trennen und diese CFK-Bauteile wieder verwenden“, freut sich Caba.

Trennen der Bauteile mittels CNC-Sägen möglich

Das Abreinigen des Klebstoffs sei problemlos möglich. „Das Schneiden ist zwar eine schweißtreibende Aufgabe, aber auch da gibt es CNC-Sägen, die das wunderbar machen könnten. Ich kann die Bauteile wieder voneinander trennen, wenn ich sie dafür etwas zugänglicher mache“, weiß Caba zu berichten.

Aber es gebe ja nicht nur ebene Bauteile sondern auch komplexe Bauteile, die geklebt werden. „Dazu haben wir einfach expandierende Partikel, deren Aufgabe es eigentlich ist, etwas aufzuschäumen, zu dem Kleber beigemischt. Erhitzt man die Bauteile nun auf circa 100 Grad, aktivieren sich die Partikel. Das sind kleine Sphären, in denen Kohlenwasserstoff enthalten ist. Der fängt dann an zu verdampfen, so dass sich eine größer werdende Kugel bildet und es den Kleber außen herum zerreißt“, erläutert Caba.

Polyurethanklebstoff und Epoxidklebstoff lassen sich wieder lösen

Die Techniker von EDAG haben die expandierenden Partikel in verschiedenen Mengen eingemischt. „Wird dann der Klebstoff zerstört, lassen sich die Bauteile mit wenig mechanischem Aufwand voneinander lösen. Es funktioniert mit Polyurethanklebstoff und mit Epoxidklebstoff, also den klassischen Vertretern“, sagt Caba.

Zuerst habe man gedacht, dass durch das Hinzufügen von 20 bis 30 Prozent expandierender Partikel der Kleber schlechter werde. „Doch die Festigkeit der Klebstoffe hat sich nicht verschlechtert, sondern ist entweder gleichgeblieben oder gar gestiegen. Das war eine interessante Entdeckung und nun wollen wir das vermehrt einsetzen, denn es gibt zahlreiche verklebte Bauteile - da muss man nicht nur an große Karosseriebauteile denken“, teilt Caba mit.

Reparaturfähigkeit reduziert Emissionen und Kosten

Denn auch kleine Steuergeräte werden laut Caba zugeklebt, damit kein Wasser eindringen kann. „Die sind damit kurz gesagt nicht mehr reparierfähig. Wenn man auch hier expandierende Partikel verwenden könnte, könnte man auch viel mehr reparieren und auch viel mehr wiederverwenden“, merkt er an. Das reduziere Emissionen, spare Geld und erhöhe vermutlich auch den Gewinn. Das mache es zu einem sehr profitablen Geschäft.

Grundsätzlich habe CFK aber einen riesigen CO₂-Fussabdruck. „Denn wir haben ja noch keine biobasierten Werkstoffe. Verglichen mit einer Stahlplattform fängt man zunächst auf dem doppelten Niveau an. Und wir schaffen den Break-Even zunächst nicht über den Leichtbau, denn dafür fährt das Auto schlichtweg zu wenig und die Vorteile sind zu gering“, vermerkt Caba.

Wiederverwendung von CFK senkt CO₂-Emissionen deutlich

Doch anders sehe es aus, wenn CFK erstmals wiederverwendet werde. „Durch das Wiederverwenden erreichen wir genau das, was wir wollen - nämlich eine Reduktion der CO₂-Emissionen und die Emissionskurve geht natürlich noch ein paar Jahre weiter runter“, argumentiert Caba.

Soweit sei das Experiment geglückt und „wir würden uns natürlich wünschen, dass wir noch mehr Effekte haben. Beispielsweise könnten wir von vornherein in manchen Bereichen recycelte Kohlefaser einsetzen. Das hätte viel Potenzial“, findet Caba.

„Wir haben das Ganze dann weiter betrieben und darüber nachgedacht, eine ganze Plattform modular aufzubauen. Wir haben für einen Van, vergleichbar mit einem T6-Bus, die Plattform so ausgelegt, dass alles austauschbar ist“, erklärt Caba. Denn wenn alles austauschbar ist, kann laut Caba der Rest weiter in Betrieb bleiben, wodurch zusätzlich viel CO₂ eingespart werden kann.

Reduzierter CO₂-Footprint bei Crash Absorbern und Federung

„Wir haben das Fahrzeug in verschiedene Bereiche eingeteilt, zahlreiche Trennstellen definiert und an diesen kann dann aufgeteilt und repariert werden. Das Wichtige ist eben, dass man dies von vornherein ermöglicht“, betont Caba.

Dazu nennt Caba das Beispiel eines Crash Absorbers: „Dieser lässt sich über verschiedenste Generationen wiederverwenden, zumal er auch modular angeordnet ist. Man kann ihn über eine Schraube lösen und einfach wieder ins nächste Fahrzeug einbauen.“

Bei einem weiteren Beispiel bezieht sich Caba auf die Hinterachse: „Normalerweise gibt es nur eine Einstellung der Feder. Wenn wir bei uns aber einen modularen Aufbau haben, ändern wir vielleicht noch den Nutzen des Fahrzeugs. Das heißt, wir müssten dann noch die Federung neu machen und neue Federn anbauen. Doch hier haben wir eine verstellbare Feder, die zudem bewusst aus CFK gefertigt ist, weil das sehr dauerfest ist. Denn gerade die hohe Zyklenfestigkeit ist entscheidend bei der Feder. Demnach haben wir eine Lösung, die trotz des anfänglich hohen CO₂-Fußabdrucks ermöglicht, am Ende durch Mehrfachverwendung CO₂ einzusparen“, fügt Caba hinzu.

Wiederverwendung reduziert CO₂-Emissionen um 62 Prozent

Man habe dies auch gemessen und „wenn ich es wiederverwende, spare ich in diesem Fall 62 Prozent CO₂-Emissionen verglichen mit normalen Fahrzeugen. Der reine Einsatz von CFK als Leichtbau bringt wie gesagt nichts. Es lohnt sich nur, wenn ich es wiederverwende. Also Wiederverwendung – Kreislaufwirtschaft – das ist für uns der Weg, den wir versuchen zu gehen“, verdeutlicht Caba.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der Automobilbau auf Reduktion, Recycling und Wiederverwendung vor allem von Werkstoffen setzen sollte, um seinen CO₂-Fußabdruck zu verringern.

„Wir müssen die Entscheidung ganz am Anfang treffen, wenn wir ein Produkt definieren. Wir können den ökologischen Fußabdruck reduzieren, wenn wir es wieder verwenden so gut wie es geht und dazu brauchen wir modular aufgebaute Bauteile und Produkte - in diesem Fall Fahrzeuge. Aber es funktioniert, das haben wir gezeigt und das ist unser Schlüssel zur Nachhaltigkeit“, resümiert Caba.