(R)evolution auf der Straße

Die bisher evolutionäre Weiterentwicklung der Automobilbranche wird von disruptiven Neuerungen abgelöst. Neue Wettbewerber erweitern das Spektrum der Möglichkeiten und erhöhen das Innovationstempo. Auch Leichtbau mit Verbundwerkstoffen und graphitbasierte Lösungen für alternative Antriebe spielen eine zentrale Rolle.

Leichtbau

Sie haben viel gemeinsam – und sind doch so unterschiedlich. Wer allgemein auf den Tesla Model S und auf den BMW i3 schaut, sieht zwei Elektroautos, die die Zukunft der Mobilität mitgestaltet haben – die aber auf den zweiten Blick sehr verschiedene Ansätze verfolgen. Da ist der disruptive Techkonzern Tesla, der US-typisch auf Autos mit großer Reichweite setzt, gefertigt vor allem aus Stahl und Aluminium. Und dann gibt es den BMW i3, eher gemacht für den urbanen Raum, ein Leichtbaumodell mit einer Fahrgastzelle, die zu 100 Prozent aus carbonfaserverstärktem Kunststoff besteht. Welches ist die vielversprechendere Variante?

Oder braucht es andere Wege oder Varianten? Es ist wenig verwunderlich, dass momentan in verschiedenen Szenarien gedacht wird. Die Automobilbranche befindet sich in einem revolutionären Wandel: Immer mehr Tech-Unternehmen machen den traditionellen Autobauern Konkurrenz.

Autos mit Verbrennungsmotor müssen ihren CO2-Ausstoß signifikant verringern, wobei sich das Gewicht der Stahl/Aluminium-Karosserien bzw. auch der Motoren kaum noch reduzieren lassen. Die alternativen Antriebe dagegen brauchen eine höhere Reichweite, um es zu größerer Akzeptanz zu bringen.

Material-Mix als Trend im Karosseriebau

Wie die Zukunft für den Karosseriebau konkret aussehen kann, zeigt unter anderem das Beispiel des 7er BMWs, der die beiden oben gezeigten Materialansätze verbindet: eine Kombination aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK), größtenteils mit Material von der SGL Carbon, im Verbund mit Stahl und Aluminium – wobei das CFK nur an jenen Stellen zum Einsatz kommt, wo es einen echten Mehrwert bietet. Es wurde insbesondere im Dachrahmen, in den Seitenschwellern sowie in den Säulen eingesetzt.

Technologieträger Carbon Carrier

Wie der Mix aus Materialien neue Fahrzeugkonzepte unterstützt, zeigt der OEM-neutrale Carbon Carrier von Bertrandt und der SGL Carbon für den vorderen Fahrzeug-Innenraum eines E-Autos: Er enthält alle wichtigen Funktions- und Verkleidungsteile einer klassischen Instrumententafel.

Zusammen mit BMW hat die SGL Carbon die Materialien und Carbonfasern für die Bauteilfertigung so entwickelt, dass sie optimal in großtechnischen, also in voll automatisierten Serienfertigungen eingesetzt werden können.

Dass Hybridbauweise die Zukunft ist, zeigen auch weitere Beispiele. Audi etwa setzt beim A8 auf eine ähnliche Lösung, CFK kommt dort vor allem in der Rückwand zum Einsatz und sorgt für eine verbesserte Stabilität des Fahrzeugs bei gleichzeitig reduziertem Gewichts des Bauteils. Volvo wiederum vertraut auf eine Blattfeder aus Glasfaserverbundwerkstoff der SGL Carbon, die im Vergleich zu herkömmlichen schweren Stahlfedern sogar 65 Prozent weniger Gewicht auf die Waage bringen. 

Wie mit Materialmix im Automobil zukünftig auch neuartige Strukturen in modernen Fahrzeugkonzepten aufgebaut sein können, zeigt der Carbon Carrier, den SGL Carbon zusammen mit dem Entwicklungsspezialisten Bertrandt entwickelt hat. Der flexible, OEM-neutrale Technologieträger wurde für den vorderen Fahrzeug-Innenraum eines Cabriolets bzw. Coupés mit elektrischem Antrieb entwickelt. Das Modell beinhaltet alle wichtigen Funktions- und Verkleidungsteile einer klassischen Instrumententafel. Auch die Strukturbauteile wurden neu gestaltet. Sie verleihen dem Interieur einen freien, leichten und schwebenden Eindruck.

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Bei der Entwicklung des Carbon Carriers wurde darauf geachtet, dass die eingesetzten Bauteile, Technologien und Montage-Konzepte heute und in naher Zukunft großserienfähig sind

Michael Hage,
Fachbereichsleiter Entwicklung Karosserie/CAE bei Bertrandt

Lithium-Ionen-Batterien gesetzt, Brennstoffzellen im Kommen

Neben dem Leichtbau sind es gerade emissionsarme Antriebe, die zu einem wichtigen Bestandteil der Mobilität der Zukunft zählen.
Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher bei Elektro-Fahrzeugen haben sich als der Standard schlechthin durchgesetzt. Die SGL Carbon ist als Partner der ersten Stunde und führender Hersteller von synthetischem Graphit für Anodenmaterial in diesem Markt vertreten. Eine wesentliche Stärke des Unternehmens ist die enge jahrzehntelange Zusammenarbeit mit ihren Kunden, durch welche die Technologie für das auf synthetischem Graphit basierende Anodenmaterial kontinuierlich weiter optimiert wurde. Dabei ist die SGL Carbon auch Teil verschiedener Entwicklungskooperationen: So wird zum Beispiel im Projekt Fab4Lib der Aufbau einer möglichen deutschen Massenfertigung für LIB-Zellen vorangetrieben.

Graphit ist als Anodenmaterial in der Batteriezelle unverzichtbar. Mengenmäßig befindet sich mehr Graphit als das namensgebende Lithium in der Batterie, So sind beispielsweise in einem Fahrzeug wie dem Tesla S 90 fast 90 Kilogramm Graphit verbaut.

Synthetischer Graphit erweist sich für die Lithium-Ionen-Batterie gegenüber natürlichem Graphit als vorteilhaft. „Zum einen kann durch seine künstliche Herstellung das Eigenschaftsprofil gezielt gesteuert werden, zum anderen bedeutet der reproduzierbare Produktionsprozess eine konstante Qualität“, erklärt Dr. Peter Roschger, der bei der SGL Carbon den Bereich Battery Solutions leitet.

In Lithium-Ionen-Batterien steckt mehr Graphit als Lithium. In einem Fahrzeug wie dem Tesla S 90 sind es rund 90 Kilogramm Graphitpulver.

Tanken von morgen: E-Autos sind elementarer Bestandteil der (R)evolution auf der Straße.

Gasdiffusionsschichten für das Brennstoffzellenauto NEXO, Quelle: Hyundai Motor Group

Um die Leistungsfähigkeit des Anodenmaterials und der Lithium-Ionen-Batterie weiter zu steigern, arbeitet die SGL Carbon auch an verbesserten Rezepturen und Verfahren. Wie etwa an einem Verbund der Kohlenstofftechnologie und Silizium, an sogenannten Carbon-Silicon-Composites. Im Markt für spezielle Anwendungsfelder werden hohe Erwartungen an Silizium in Bezug auf eine erhöhte Energiedichte geknüpft. Aber auch wenn Silizium in Kombination mit Graphit als komplementäre Technologie Einzug in spezielle Anwendungsfelder findet, ist zu erwarten, dass Graphit aufgrund seines herausragenden Preis-Leistungsprofils langfristig das Anodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie bestimmen wird.

Auch die Brennstoffzelle, bei der die Fahrzeuge mit Wasserstoff als Kraftstoff betankt werden, ist wieder im Kommen. Denn Fahrzeuge mit dieser Technologie arbeiten sehr effizient, und sind ähnlich wie E-Autos geräuscharm im Betrieb und vor allem emissionsfrei. Und: Ihre Technologie hat sich stark weiterentwickelt.

Schon seit mehreren Jahren leisten Automobilbauer und ihre Partner, darunter auch die SGL Carbon, daher wieder umfangreiche Entwicklungsarbeit an der Brennstoffzelle. Eine Komponente sind dabei die sogenannten Gas-Diffusion-Layer (GDL) auf Basis von Carbonfasern. Diese Zwischenschichten sorgen für die gleichmäßige Gaszuführung zum Katalysator, der auf beiden Seiten der Ionenaustausch-Membran aufgebracht ist und Wasserstoff und Luftsauerstoff in elektrische Energie und Wasser umwandelt. Um die Anwendung des Materials hierzu weiter voranzutreiben, bringt sich die SGL Carbon unter anderem seit 2016 auch in das von der Europäischen Union geförderte INSPIRE-Projekt ein. Die Initiative hat sich zum Ziel gesetzt, eine neue Generation von langlebigen Hochleistungs-Brennstoffzellen zu entwickeln. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen auch in Kundenprojekten an der Brennstoffzelle. Erst kürzlich hat das Team der SGL eine erweiterte Zusammenarbeit mit Hyundai abgeschlossen. Konkret liefert die SGL Carbon die Gasdiffusionsschichten für das Brennstoffzellenauto NEXO, das seit März dieses Jahres als Serienmodell am Markt ist.

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Die beste Methode, die Zukunft vorherzusagen, besteht darin, sie zu erfinden.

Alan Kay,
Informatiker

Aber welche Ansätze setzen sich nun durch?

Im Moment wird an vielen Lösungen gearbeitet, ohne dass man genau sagen kann, wie die Zukunft der Mobilität denn nun aussehen wird. Doch ist genau das aktuelle Tüfteln und Weiterentwickeln wichtig, damit Innovationen nicht nur bloße Ideen bleiben, sondern für die Gesellschaft einen Mehrwert bieten.

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Sebastian Grasser
Leiter Marktsegment Automotive des Geschäftsbereichs Composites - Fibers & Materials
Telefon: +49 8271 83-2160
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