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Recycling im
Automobil-Leichtbau
Whitepaper
Stichling, Hasenberg | PE INTERNATIONAL GmbH
30.03.2010

Inhalt
Leichtbauweise im Automobilbau
Potenziale der Leichtbauweise
für eine nachhaltige Mobilität ................................................................................................... 03
Executive Summary .......................................................................................................... 03
Recycling im Automobil-Leichtbau .............................................................................. 04
Fallstudie: Reserveradmulde .......................................................................................... 07
Fazit ....................................................................................................................................... 08
Quellennachweise, Autoren ........................................................................................... 09
Über PE INTERNATIONAL .............................................................................................................. 10

Potenziale der Leichtbauweise für eine
nachhaltige Mobilität
Leichtbau ist im Automobilbereich eine wichtige Säule zur Senkung der Treibhausgasemissionen.
Doch nicht jede Gewichtsersparnis reduziert auch unweigerlich die Emissionen. Leichtere Materialien
verbrauchen in der Herstellung tendenziell mehr Energie, senken aber dafür in der Nutzungsphase den
Verbrauch. Ob sich Leichtbau unterm Strich rechnet, kann nur eine ganzheitliche Betrachtung beantworten.
Erst eine Lebenszyklusanalyse von der Herstellung bis zum End-of-Life liefert gesicherte Aussagen.
Einfache Antworten gibt es dabei nicht. Und die gesetzlichen Vorgaben zwischen CO2-Grenzwerten und
Recyclingquoten erfordern nicht nur leichte, sondern auch leichter wiederverwertbare Materialien.
Executive Summary
Gewichtseinsparungen sind im Automobilbereich
ein wichtiger Baustein, um den Kraftstoffverbrauch
und damit die CO2-Emissionen zu senken.
Vor dem Hintergrund künftiger verbindlicher
CO2-Grenzwerte werden die Anforderungen dies-
bezüglich sogar noch steigen. Die EU-Staaten
einigten sich darauf, dass ab 2012 65 Prozent der
Neuwagen nicht mehr als 120g/km CO2 emittieren
dürfen. In den Folgejahren wird der Anteil
weiter steigen bis er für alle Neuwagen greift.
Der Einbau leichterer Fahrzeugkomponenten er-
öffnet zusätzliche Einsparpotenziale durch so
genannte sekundäre Effekte. Durch eine leichtere
Karosserie können weitere Fahrzeugteile, etwa
wie Motor, Getriebe, Tankgröße und andere, zu-
sätzlich angepasst werden. Diese sekundären
Effekte erhöhen die Verbrauchsreduktion um den
Faktor zwei bis drei, sind also sehr erheblich
und sollten in jedem Fall genutzt werden. 100 kg
weniger Gewicht können so bis zu 0,35 Liter
Kraftstoff (Benziner) einsparen.
Da zirka 85 Prozent der Treibhausgasemissionen
des gesamten Lebenszyklus in der Nutzungsphase
entstehen, kann der Leichtbau prinzipiell
signifikant zur Senkung der Emissionen beitra-
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Leichtbauweise im Automobilbau
gen. Aufschluss darüber, wie weit Einsparungen
in der Nutzungsphase in Gänze zu niedrigeren
Emissionen führen, kann aber nur eine Lebenszyklusanalyse
liefern. Leichtere Werkstoffe, wie
Aluminium, Magnesium oder Kohlefaser, haben
in der Herstellung einen höheren Energieaufwand
als Stahl. Dieser höhere Energieinput muss
dann über den Lebenszyklus wieder kompensiert
werden können. Im Idealfall rechnet sich Leichtbau
zu einem möglichst frühen Zeitpunkt in
der Nutzungsphase. Aber auch wenn dies nicht
gegeben ist, kann der Einbau eines Werkstoffes
sinnvoll sein. Ein höherer Energieeinsatz von Alu-
minium ist z. B. zu rechtfertigen, wenn am End-
of-Life über eine Wiederverwertung eine Gutschrift
berücksichtigt werden kann.
Die Recyclingfähigkeit von Werkstoffen wird daher
in Zukunft ganz entscheidend sein. Dies wird
auch vom Gesetzgeber so gesehen. Die geltende
Altfahrzeugverordnung schreibt eine stoffliche
Wiederverwertungsquote nach Gewichtsprozent
vor. Das führt dazu, dass ein zunehmender Ein-
satz von Leichtbauteilen, die Recyclinganforderungen
sogar noch verschärfen wird, weil leicht
recycelbare Materialien wie etwa Stahl durch
Leichtbaukomponenten ersetzt werden.

Recycling im Automobil-Leichtbau
In der noch jungen Klimaschutz-Debatte in den
1990er-Jahren galten für Politik und Wirtschaft
Selbstverpflichtungen als probates Mittel. Über
die Zielmarke herrschte Einigkeit: 1995 kündigte
die Bundesregierung an, bundesweit 25 Prozent
der Kohlendioxid-Emissionen bis 2005 zu senken.
Die deutschen Automobilhersteller verpflichteten
sich, den durchschnittlichen Pkw-Kraftstoffverbrauch
im gleichen Zeitraum ebenso um 25
Prozent zu reduzieren. Und 1998 einigte sich der
europäische Automobilverband ACEA mit der
EU-Kommission auf 140g/km CO2 als Grenzwert
für jeden neuen PKW, was ebenfalls einer Senkung
von 25 Prozent gemessen am 1995er-Wert
(186g/km) entspricht.
Ab 2012 gelten in der EU CO2-Obergrenzen
für Autos
25 Prozent weniger Emissionen war ein ehrgeiziges
Ziel; ob zu ehrgeizig bleibt dahingestellt.
Fakt ist jedoch, dass keines dieser Ziele erreicht
werden konnte. Und so weicht das Mittel der
Selbstverpflichtungen neuen gesetzlichen Vor-
gaben. Im Dezember 2008 einigten sich die
EU-Staaten auf verbindliche CO2-Grenzwerte
von 120 g/km. Fahrzeugseitig gelten 130 g/km,
weitere 10 g/km sollen durch z.B. bessere Reifen
oder Einsatz von Biokraftstoffen erreicht wer-
den. 2012 müssen zunächst 65 Prozent der Neu-
wagen den Grenzwert erfüllen. Danach steigt
der Prozentsatz jährlich an, bis der Grenzwert
2015 für alle Neufahrzeuge greift. Bei Nichter-
füllung drohen den Autoherstellern Bußgelder.
Ab 2015 dürfen Neufahrzeuge in der EU nicht mehr
als 120 g CO2 je Kilometer ausstoßen. Andernfalls
drohen den Autoherstellern Bußgelder.
Damit ist die Messlatte für die nächsten Jahre
vorgegeben. Um diese nicht zu reißen und die
Reduktionsziele zu erreichen, müssen vielfältige
Ansätze verfolgt werden. Gewichtseinsparungen
und ein daraus resultierender geringerer Kraft-
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Leichtbauweise im Automobilbau
stoffverbrauch sind dabei ein wichtiger Baustein.
In dem europäischen Forschungsprojekt Super-
LIGHT-Car hat von 2005 bis 2009 ein Konsortium
aus 38 Organisationen Leichtbaulösungen ent-
Forschungsprojekt SuperLIGHT-Car hat
gezeigt, 35 Prozent Gewichtsein-
sparung bei der Karosserie ist machbar
und wirtschaftlich darstellbar.
wickelt und mit 35 Prozent Gewichtsreduzierung
bei der Karosserie überzeugende Ergebnisse
erzielt. Verglichen mit dem Referenzfahrzeug, ein-
em Volkswagen Golf, konnte mit einem Multi-
werkstoff-Ansatz aus modernen warmgeformten
Stählen, Aluminium, Magnesium sowie faserverstärkten
Kunststoffen, 100 kg eingespart werden.
Die meisten Treibhausgase entstehen
in der Nutzung
Richtungsweisende Leichtbaulösungen finden
sich zwar bereits heute in verschiedenen Fahrzeugsegmenten
wieder, doch in der Breiten-
mobilität werden Karosserien bislang hauptsächlich
als singuläre Stahlkonstruktionen
gebaut. Dies hat mit noch bestehenden technischen
und wirtschaftlichen Einschränkun-
gen zu tun. SuperLIGHT-Car hat allerdings nicht
nur die technische, sondern auch die wirt-
schaftliche Machbarkeit aufgezeigt und mit
8 Euro pro eingespartem Kilogramm die
Kosten gering gehalten.
Wie aus mehreren Studien bekannt ist, können
etwa ein Drittel des gesamten Kraftstoffverbrauchs
eines Fahrzeuges direkt dem Gewicht
zugeordnet werden. Die Tatsache, dass der
überwiegende Teil der Treibhausgasemissionen
der gesamten Lebensphase in der Nutzung
entsteht – etwa 85 Prozent – offenbart die Poten-
ziale der Leichtbauweise für eine nachhaltige
Mobilität neben der Effizienzsteigerung der
Antriebstechnik, der Reduzierung des Luft-
widerstandes und der Verbesserung des Strommanagements.

Minderverbrauchsfaktor gibt
die Energieersparnis an
Um die exakten Verbrauchssenkungen durch
eine Leichtbaumaßnahme ermitteln zu können,
müssen eindeutige Standards zu Grunde gelegt
werden. Dies erfolgt dadurch, indem der masseninduzierte
Energieverbrauch über eine definierte
Distanz (meist 100 Kilometer) nach einem
bestimmten Fahrzyklus (z.B. nach dem New
European Driving Cycle – NEDC) berechnet und
mit dem Differenzwirkungsgrad des Motors
verknüpft wird. Die Verbrauchsersparnis einer
Komponente wird dann mit dem so genannten
Minderverbrauchsfaktor (fuel reduction value –
FRV) in Litern Kraftstoff pro 100 kg und 100 km
angegeben. Weil der Faktor eine Ersparnis ausdrückt,
erhält das Referenzbauteil den Wert 0.
Aus Gewichtsreduzierungen resultiert folglich ein
negativer Verbrauchswert, aus Gewichtssteigerungen
ein positiver. Mit dem FRV wird also berechnet,
wie viel Liter Kraftstoff eine alternative
Leichtbaukomponente absolut einsparen könnte,
nicht aber, wie groß die relative Ersparnis zum
bisherigen Bauteil ist (Referenzbauteil = 0).
Sekundäre Effekte erhöhen das Potenzial
der Leichtbauweise beträchtlich
Sinkt jedoch das Fahrzeuggewicht, erhöht sich
automatisch die Fahrdynamik. Eine Gewichtseinsparung
sollte aber möglichst in eine weitere
Verbrauchsreduzierung investiert anstatt für
höhere Fahrleistungen genutzt werden. Dies geschieht
in der Praxis durch eine Verlängerung
der Getriebeübersetzung bzw. eine Verringerung
des Hubraums (Downsizing). Volkswagen berücksichtigt
diese sekundären Effekte mit einem
Faktor zwei bis drei (Tab. 1). 100 kg weniger
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Leichtbauweise im Automobilbau
Gesamtgewicht spart danach durchschnittlich
0,35 Liter Otto-Kraftstoff auf 100 km ein. Ohne
diese sekundären Effekte wären es nur 0,15 Liter.
Der Blick auf die Verbrauchsreduktion einzelner
Komponenten lässt zudem auch noch keine Aus-
sage darüber zu, wie sehr der gesamte Verbrauch
des Fahrzeuges insgesamt gesenkt werden kann.
Verbrauchsreduktionsfaktoren nach
NEDC in [l/100km*100kg]. Tab. 1
Denn durch eine leichtere Karosserie können
ggf. weitere Fahrzeugteile wie Fahrwerk, Bremsen,
Tank und andere angepasst werden. Sind diese
Maßnahmen bekannt, ist die Systemgrenze ent-
sprechend zu erweitern und die Summe aller
Gewichtsreduzierungen zu bewerten. Den Blick
allein auf den Kraftstoffverbrauch zu richten
Nur auf die Kraftstoffersparnis zu schauen,
greift zu kurz. Um Verlagerungseffekte
auszuschließen, muss der gesamte Lebens-
zyklus betrachtet werden. Nur so
können Umweltvorteile durch Leichtbau
quantifiziert werden.
würde allerdings zu kurz greifen. Die tatsächlichen
Umweltvorteile und Emissionsreduktionen können
nur über Analysen des gesamten Lebenszyklus
mit einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA)
bestimmt werden. Leichtere Werkstoffe, wie
Aluminium, Magnesium oder Kohlefaser, haben in
der Herstellung einen höheren Energieaufwand
als Stahl. Kunststoffe können dagegen weniger
gut wiederverwertet werden.

Umwelteffekte müssen über den ganzen
Lebenszyklus betrachtet werden
Eine LCA erfasst sämtliche Energie- und Materialflüsse
einer definierten funktionellen Einheit
(z. B. Karosserie-Bauteil) von der Rohstoffgewinnung
bis zum End-of-Life des Produktes (Abb. 1).
Dominante Lebenszyklusabschnitte und potenzielle
Verlagerungen von Emissionen und Umwelteinflüssen
entlang der Lebenskette können
so erfasst werden. Erst wenn mögliche neue
Bauteile über ihre gesamte Lebensphase auf ihre
Umweltwirkung überprüft werden, können ge-
sicherte Aussagen darüber gemacht werden, ob
zum Beispiel eine leichtere Komponente tat-
sächlich die CO2-Emissionen senkt. Dabei ist es
ganz entscheidend, dass in einer Ökobilanz,
die alternativen Bauteile mit denselben Funktionen
gegenüber gestellt werden, um die Er-
gebnisse nicht zu verzerren.
Ein hoher Energieeinsatz in der Herstellung kann
bei entsprechender Wiederverwertung durchaus
gerechtfertigt sein.
Im Idealfall rechnet sich Leichtbau bereits in
der Nutzungsphase, indem ein beispielsweise
höherer Energieaufwand in der Werkstoff-Her-
stellung über eine deutliche Gewichtsersparnis
über die Nutzungsphase überkompensiert
werden kann (Abb. 2). Und selbst, wenn sich
nicht schon in der Nutzungsphase Vorteile
ergeben, kann der Einsatz eines Werkstoffes
insgesamt dennoch sinnvoll sein.
Abb. 1: Schematische Darstellung
der Ökobilanz nach ISO 14044
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Leichtbauweise im Automobilbau
Recyclingfähigkeit – gerade im Leichtbau
eine wichtige Eigenschaft
Werkstoffliches Recycling spielt im Leichtbau
eine wichtige Rolle. Insbesondere Metalle
lassen sich im Vergleich zu Kunststoffen sehr
gut wiederverwerten. So kann sich zum Bei-
spiel der höhere Energieeinsatz von Aluminium
Leichtbaumaterialien müssen auch
zunehmend recyclingfähig sein.
Die Altfahrzeugverordnung der EU
verschärft diese Anforderung noch
zusätzlich.
rechtfertigen, wenn über eine Wiederverwer-
tung eine Gutschrift berücksichtigt werden kann
(Abb. 3). Und mit dem zumindest langfristi-
gen Ziel eines geschlossenen Materialkreislaufes,
wird sich das Augenmerk in Zukunft vermehrt
auf die Recyclingfähigkeit der verwendeten Ma-
terialien richten.
Der Gesetzgeber hat mit der geltenden Alt-
fahrzeugverordnung hier schon Vorgaben für die
nächsten Jahre gemacht. Seit 2006 müssen
mindestens 80 Gewichtsprozent des Altfahrzeuges
stofflich wiederverwertet werden.
2015 steigt der Anteil auf 85 Prozent. Der Bezug
auf Gewichtsanteile führt dazu, dass ein zu-
nehmender Einsatz von Leichtbauteilen, die Re-
cyclinganforderungen sogar noch verschärfen
wird. Denn vor allem schwerer aber leicht recycel-
Abb. 2: CO2-Bilanz ohne Gutschrift
Abb. 1+2

arer Stahl wird durch leichtere Materialien,
die, mitunter wie Kunststoffe schwer stofflich
zu recyceln sind, ersetzt.
Fallstudie: Reserveradmulde
Für die Herstellung einer Reserveradmulde
wurden fünf verschiedene Werkstoffe hin-
sichtlich ihrer Treibhausgas-Emissionen über
den gesamten Lebensweg bilanziert. Ohne
Recyclinggutschrift wirkt sich die energieintensive
Herstellung von Aluminium (Al) und Ma-
gnesium (Mg) besonders auf die Gesamtemissionen
aus. Polypropylen (PP) und Polyamid (PA)
weisen die geringsten Emissionen auf, weil die
Aufwendung in der Herstellung relativ gering
ist und das geringe Gewicht die Emissionen in
der Nutzungsphase reduziert (St=Stahl).
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Leichtbauweise im Automobilbau
Werden die Werkstoffe am Ende des Lebensweges
recycelt, kann eine Gutschrift für vermiedene
Primärproduktion gegeben werden. Die
Gutschriften sind bei einem angenommenen
Closed-Loop-Recycling von Aluminium und bei
Magnesium besonders hoch, dadurch verändern
sich die Netto-Emissionen im Vergleich zu Abb. 2
beträchtlich. Magnesium weist nun über den
gesamten Lebenszyklus die geringsten Emissionen
auf. Polyamid und Polypropylen verändern
sich kaum, da bei Kunststoffen von einer thermischen
Verwertung mit relativ geringen Gutschriften
ausgegangen wird.
CO2-Bilanz mit Gutschrift Abb. 3

Fazit
Allgemeingültige Aussagen, welche Materialien
im Leichtbau favorisiert werden sollten und
welche zu vermeiden sind, sind nicht sinnvoll.
Zunächst sind die Zielsetzung und die Rand-
bedingungen der LCA ganz entscheidend. Eine
lange Nutzungsdauer wird in der Regel leich-
te Materialien begünstigen, auch wenn sie in
der Herstellung einen hohen Energieaufwand
haben. Die Recyclingfähigkeit ist nicht nur vor
dem Hintergrund der gesetzlichen Bestimmun-
gen ein entscheidender Aspekt. Hohe Energiever-
bräuche in der Herstellung können am End-of-
Life durch Gutschriften in Teilen ausgeglichen
werden, wenn das Material wiederverwertet
wird. Hinzu kommen die spezifischen Anforderungen
an die herzustellenden Komponenten,
wie etwa Festigkeit, Crash-Sicherheit oder Wirt-
schaftlichkeit, die für die Wahl des Materials
neben den Umweltanforderungen ebenso maß-
gebend sind.
Die Leichtbauweise erzielt hinsichtlich der Um-
weltperformance die größte Wirkung, wenn die
Auswirkungen auf andere Bauteile/-gruppen mit
einbezogen werden. Daher sollten Leichtbaukonstruktionen
frühzeitig in den Entwicklungsprozess
mit einbezogen werden und Teil eines
Gesamtkonzeptes sein und nicht singulär einzel-
ne Komponenten ersetzen. Nur mit gewissenhaft
erstellten Ökobilanzen, die den gesamten
Lebenszyklus berücksichtigen, können nach fest-
gelegten Rahmenbedingungen die Umwelt-
relevanz von Werkstoffen und deren Anwendung
objektiv belegt werden.
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Leichtbauweise im Automobilbau

Quellennachweise
Bundesministerium der Justiz (2007): Verordnung
über die Überlassung, Rücknahme und umwelt-
verträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen (Alt-
fahrzeug-Verordnung – AltfahrzeugV). Berlin.
BDI – Bundesverband der deutschen Industrie e. V.
(2004): Freiwillige Vereinbarungen und Selbst-
verpflichtungen. Bestandsaufnahme freiwilliger
Selbstverpflichtungen und Vereinbarungen im
Umweltschutz. Berlin.
EurActiv (2008): EU erzielt Abkommen über CO2-
Emissionen von Autos. Meldung vom 2.12.2008 auf
www.euractiv.com
Koffler, Christoph, Rhode-Brandenburger, Klaus
(2010): On the calculation of fuel savings through
lightweight design in automotive life cycle
assessments. International Journal of Life Cycle
Assessment. 15-1, S. 128-135. Berlin/Heidelberg.
Stichling, Jürgen (2008): Ökobilanzen zum Karos-
serieleichtbau in der Automobilindustrie. Vor-
trag auf dem Leichtbau-Forum EuroLITE, Salzburg.
Superlight-Car Projekt (2009): Superlight-Car spart
35 % Gewicht in der Fahrzeugkarosserie. Pressemitteilung
EU-Projekt Superlight-Car. Wolfsburg.
Bildnachweise
Covergrafik Up lite, Volkswagen AG
Abb. 1-3, PE INTERNATIONAL GmbH
Tab. 1, Koffler, C. & Rohde-Brandenburger K. (2010)
Autoren
Jürgen Stichling (Dipl.-Ing.),
Volker Hasenberg (Dipl.-Geoök.)
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Leichtbauweise im Automobilbau

Über PE INTERNATIONAL
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Leichtbauweise im Automobilbau
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