Donnerstag, 24. November 2011

Elektromobilität gestalten

Audi Urban Concept, CityEl, Renault Twizy, VW Nils, Studien


Seit 1989 beschäftige ich mich damit, wie ein kleiner leichter Zweisitzer aussehen müsste, der sowohl Ressourcen schonende als auch Spaß bringende Alltagsmobilität ermöglicht.

Meine Überlegungen führten immer wieder dahin, dass ein elektrischer Antrieb den Anforderungen des täglichen Kurzstreckenverkehrs besser gerecht wird als der klassische Verbrennungsmotor. Inzwischen gibt es auch in der Autoindustrie Konsens darüber, dass der E-Antrieb künftig eine Rolle im Mobilitätsmix spielen wird. Im Folgenden möchte ich ein paar grundsätzliche Regeln skizzieren, die nach meiner Auffassung einen erfolgreichen Markteinstieg dieser Technologie sicher stellen.


Regel 1: Divide et impera!

Teile und beherrsche, das ist die erste Prämisse, die zu befolgen sein wird, wenn der Wechsel zur E-Mobilität gelingen soll. Die bisherige Praxis, ein und dasselbe Fahrzeug für alle Aufgaben des Individualverkehrs einzusetzen, kann mit dem aktuellen Stand der Technik nicht fortgeführt werden. Vor uns liegt eine Wegstrecke von geschätzten 15 bis 20 Jahren, bis elektrisch angetriebene Fahrzeuge genau so universell einsetzbar und gleichzeitig einigermaßen bezahlbar sein werden wie das heute Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind – vorausgesetzt, das Engagement der Autoindustrie in das Thema lässt nicht wieder nach und die Kunden beweisen ein wenig Mut und Verantwortungsbewusstsein.

Für lange Distanzen, zumal wenn sie nicht alleine zurückgelegt werden, wird die Limousine mit Turbodiesel noch sehr lange das effizienteste Werkzeug bleiben, wenn man die Bahn als praktikable Alternative ausschließt. Eventuell könnte es hier eine Entwicklung in Richtung eleganter Großraumlimousine geben, wie sie BMW mit dem 5er GT skizziert hat. Das hohe Gewicht solcher Fahrzeuge und die Tatsche, dass der dort gebotene Raumvorteil in der Praxis wenig Relevanz zeigt lassen allerdings auch der klassischen Limousine – mit Leichtbautechnik – eine reele Chance.

Laut statistischem Bundesamt fahren ca. 17,5 Millionen Deutsche täglich eine Strecke von unter 50 km mit dem Auto zur Arbeit, und zwar alleine. (Nach einer anderen Statistik sind es 75% aller Fahrten auf Deutschen Straßen, bei denen ein Einzelner auf einer Kurzstrecke unterwegs ist.) Jeder Pendler belastet sich durch sein Auto mit (durchschnittlich) 360 Euro im Monat, wovon mehr als 70 Euro allein auf die Treibstoffkosten zurückgehen. Vor allem wird aber die Umwelt durch diese Form des Berufsverkehrs belastet: Mit einem Verbrauch von ca. 40 Mio. Litern Treibstoff und durch die Emission von etwa 6.500 Tonnen CO2 jährlich (in Deutschland). Das ist ein Problem, und dafür existiert bisher keine Lösung. Es wäre nicht nur vernünftig, sondern könnte auch, wie ich im letzten Artikel angedeutet habe, Spaß machen, diese Strecken mit einem eigens dafür designten, wesentlich effizienteren Kleinfahrzeug zu fahren. Mit einem Energie-Äquivalent von unter 1,5 Litern Diesel käme man in einem solchen Gefährt 100 Kilometer weit. Und am Ziel könnten auf gleicher Parkfläche beinahe doppelt so viele Fahrzeuge untergebracht werden wie bisher. Das 1+1-sitzige Kleinfahrzeug wird, wenn auch nur ein Hauch von Vernunft herrscht, kommen. Warum dieses Konzept für die Durchsetzung der Elektromobilität so eine überragende Rolle spielt, werde ich weiter unten noch zeigen.

Als Drittes wird es Plug-In Hybride (Toyota Prius) bzw. Elektrofahrzeuge mit einem fossil betriebenen Range Extender (Opel Ampera) geben. Auf verschiedenen Wegen erreichen diese beiden Technologiekonzepte das selbe: Auf kurzen Strecken kann das Auto elektrisch und damit emissionsfrei unterwegs sein. Es kann mit regenerativ gewonnenem Strom geladen werden. Und es behält am Ende der Batteriekapazität durch den Verbrennungsmotor seine Autonomie, kann also auch für längere Strecken eingesetzt werden. Solche Fahrzeuge haben bereits jetzt einen besseren Systemwirkungsgrad als konventionelle Autos. Sie sind allerdings technisch relativ aufwändig, schwer und (noch) teuer. Außerdem ist die elektrisch Reichweite viel zu klein, was in erster Linie damit zu tun hat, dass die Akkus eine extrem hohen Anteil an den Gestehungskosten haben; die Hersteller sind an dieser Stelle zum Sparen gezwungen, um einen halbwegs markfähigen Preis erreichen zu können.

Es gibt also, grob gesagt, drei Konzepte, deren jedes seine Vor- und Nachteile hat. Wenn man sich die Nutzungsprofile der drei verschiedenen Fahrzeuggattungen ansieht, erkennt man vielleicht, dass sich jede der drei am besten entwickeln würde, wenn sie das getrennt von den anderen beiden tun könnte. Die schnelle Hochleistungslimousine für Langstrecken sollte nicht durch Hybridtechnik belastet werden (solange diese noch schwerer ist als der konventionelle Drivetrain). Die teilelektrischen Universalisten sollten sich in Ruhe aus der Nische exklusiven Vorreitertums herausentwickeln können, in der sie bereits eine Rolle auf dem Markt spielen. Und das kleine Fahrzeug für die tägliche Kurzstrecke wird nur dann ernst genommen und begehrt werden, wenn mit ihm auch gleich ein eigenes Leitbild geschaffen wird, das sich von dem herkömmlichen Vorstellungen vom "Auto" emanzipiert.


Regel 2: Small is electric.

Warum ist es für die Durchsetzung der Elektromobilität eigentlich so wichtig, kleine Fahrzeuge zu haben? Belastet man die ohnehin mit Misstrauen betrachtete neue Technologie nicht zusätzlich und unnötig, wenn man sie dem Kunden in einem unbekannten, erklärungsbedürftigen Fahrzeug präsentiert? Die erste Antwort hierauf – und an ihr kommt niemand vorbei – findet sich beim Blick auf die Preise von elektrischen Energiespeichern. Egal, welches Konzept man betrachtet: Die Akkus machen, je nach Leistung, rund die Hälfte des Fahrzeugpreises aus. Bei elektrischen Hochleistungssportwagen wie Tesla oder Fisker dürfte dieser Anteil des Energiespeichers an den Gesamtkosten sogar noch höher sein. Der Preis für den Energiespeicher ist ein direkter Faktor des Fahrzeuggewichtes. Je leichter das Fahrzeug ist, desto weniger Akkus brauche ich, um es zu bewegen. Da Akkus heute noch relativ schwer sind und einen ganz erheblichen Anteil am Fahrzeuggewicht haben, zahlt sich jedes eingesparte Kilo gewissermaßen doppelt aus: Weniger Gewicht bringt weniger benötigte Kapazität bringt weniger Gewicht. Und am Ende steht ein günstigerer Preis.

Nähert man sich dem Thema: Wie können Millionen von Menschen täglich auf vernünftige Weise individuell ihre kurzen Strecken zurücklegen? von der anderen Seite, dann trifft man natürlich wieder auf den kleinen, leichten Zweisitzer. Wenn für 4 Personen ein 1.500 kg schweres Fahrzeug nötig ist, dann sollte doch für eine einzelne Person ein Fahrzeug genügen, das nicht mehr als 500 kg wiegt? Mit einem kleinen Verbrennungsmotor könnte sich dann ein Durchschnittsverbrauch von um die 2 Liter / 100 km realisieren lassen, was ja auch nicht schlecht wäre.

Das Problem dabei ist, das "Downsizing" seine Grenzen hat. Ein so kleiner Verbrennungsmotor wäre nicht nur in Sachen Komfort und Leistungscharakteristik unbefriedigend, mit ihm ließe sich der Gewichtsvorteil in der Praxis auch nicht vollständig in einen Verbrauchsvorteil ummünzen. Der Elektroantrieb hingegen lässt sich im Prinzip frei skalieren, denn an der "typisch elektrischen" Art, Leistung zu entfalten ändert sich nichts, egal, wie der Antrieb dimensioniert wird: Immer gibt es das volle Drehmoment über den gesamten, sehr breiten Drehzahlbereich und kaum Vibrationen und Geräusche. Und anders als bei einem konventionell angetriebenen Fahrzeug kann die technische Peripherie (die beim E-Motor ohnehin superschlank ist) mit skaliert werden – bis hin zu den Akkus.

Das kleine Fahrzeug muss also elektrisch sein, um leistungsfähig zu sein.
Und das Elektrofahrzeug muss klein sein, um wettbewerbsfähig zu sein.
Small = Electric. Und beides zusammen ist vernünftig und macht Spaß.


Regel 3: Bitte kein Auto bauen.

Der Tazari Zero ist im Moment das wahrscheinlich leichteste Fahrzeug, zu dem jeder auf den ersten Blick "Auto" sagen würde. Er hat eine "Motorhaube", eine Windschutzscheibe, zwei richtige Türen, eine Heckklappe und sieht insgesamt aus wie ein frecher kleiner Bruder der heute üblichen Kompaktwagen im Two-Box-Design. Bei näherer Betrachtung schwindet der zunächst gute Eindruck, den der kleine Italiener macht: Das niedrige Gewicht ist mit dünnen Verkleidungsteilen, spartanischen Sitzen und einem etwas verrutschten Maßstab erkauft. Als 95-Perzenziler (d.h. nur 5% aller Männer sind größer) fühlt man sich darin ein wenig wie Gulliver in einer Theaterdekoration des Zwergenlandes. Es gibt hier sehr robuste und schön gestaltete Details, gute Proportionen, aber trotzdem hat der Zero im direkten Vergleich mit einem "richtigen" Auto keine Chance. Es ist Versagen auf hohem Niveau, und genau deswegen führe ich dieses Fahrzeug hier als Kronzeugen gegen jede Autohaftigkeit bei kleinen Elektrofahrzeugen an: Es führt kein Weg zum miniaturisierten und dennoch respektablen "Auto".

Noch ist es relativ schwer, sich vorzustellen, wie so ein schmaler, elektrisch angetriebener Zweisitzer aussehen muss. Sicher ist nur, dass er tatsächlich schlank sein muss. Er muss ein kleine Stirnfläche haben, denn auch bei den Geschwindigkeiten unter 130 km/h, die für derartige Fortbewegungsmittel üblicherweise angenommen werden, spielt der Luftwiderstand schon eine wichtige Rolle – über 80 km/h ist es sogar die Hauptrolle im Ensemble der Fahrwiderstände. Den selten oder nie genutzten zweiten Sitz neben den Fahrer zu montieren, und damit ohne Not die Stirnfläche zu verdoppeln, ist demnach eigentlich keine Option. Und nicht nur die Optimierung der Fahrwiderstände, sondern auch die der Fahreigenschaften verlangt nach einem schlanken Körper: Länge läuft, sagt der Segler und auch die Natur zeigt uns, wo' s langgeht: schnelle (effiziente!) Tiere, solche die jagen, haben üblicherweise nicht die Proportionen eines Würfels.

Und das bringt uns zwanglos zu den weniger greifbaren Gestaltungsfaktoren, dazu nämlich, wie ein akzeptables, besser: ein reizvolles Leitbild für solche Kleinfahrzeuge aussehen könnte. Vielleicht haben Opel beim Rak-E und auch Audi mit den beiden Urban Concept das mit der Sportlichkeit etwas übertrieben.

Doch gerade an den Audis kann man schon recht gut erkennen, dass so ein Fahrzeug attraktiv, dynamisch und absolut unpeinlich gestaltet werden kann. Mir persönlich ist hier noch etwas zu viel Auto im Genpool und, vor allem, halte ich diese Fahrzeuge im Hinblick auf ihre voraussichtliche Nutzung für zu niedrig, die Sitzposition zu nah an der Straße. Aber die Untiefe der Vergleichbarkeit mit etwas, das ähnlich aussieht, aber größer und respektabler auf der Straße steht ist hier schon mal erfolgreich umschifft.


Regel 4: Sicherheit in Klein geht anders.

In dem weiter vorne geposteten kleinen Präsentationsfilm vergleicht Audi-Designer Wolfgang Egger den Urban Concept mit einem Insekt. Er bezieht sich dabei auf die Beweglichkeit. Aber auch beim Thema Sicherheit könnte ein Blick auf diese Lebewesen Erhellendes zeigen. Sie überleben in einer Welt, in der fast alles größer ist als sie selbst, weil sie eine harte Schale haben. Das Exoskelett ist die Lebensversicherung der Kleinlebewesen. Wenn man das im Kopf behält, erkennt man den tendenziellen Unsinn des Satzes: Der hat ja gar keine Knautschzone – wenn er auf Kleinfahrzeuge bezogen wird. Die Knautschzone befindet sich im Speckgürtel großer und schwerer Fahrzeuge, und sie dient dort dazu, kinetische Energie abzubauen, die anderenfalls mit voller Wucht die Insaßen treffen würde. In einem kleinen, leichten Fahrzeug sieht die Welt ganz anders aus: Die geringere Masse bedeutet auch weniger Energie, die im Falle des Falles vernichtet werden müsste.

Der CityEl, eigentlich das älteste in Deutschland kaufbare Elektrofahrzeug, wiegt runde 350 kg. Seine Karosserie besteht aus einer Kunststoffwanne, in die zum Schutz des Fahrers ein Überrollbügel aus Stahlrohr eingeschraubt ist.

Mit diesem Gefährt, das subjektiv kaum mehr Schutz bietet als ein Kinderwagen, hat es in der langen Zeit seit er auf dem Markt ist natürlich einige Unfälle gegeben. Ein einziger davon hatte den Tod des Fahrers zur Folge. Der Grund für diese dennoch gute Bilanz: Die Schale ist immer noch hart genug, um den Insaßen zu schützen, bevor das Fahrzeug durch die kinetische Energie und aufgrund seines geringen Gewichtes einfach aus dem Gefahrbereich geschleudert wird. Unfälle im CityEl gehen deswegen beinahe immer glimpflich aus. Versieht man ein ähnlich leichtes Fahrzeug mit einer wirklich festen Rahmen- bzw Schalenstruktur und kontrolliert man zugleich das Verhalten im Kollisionsfall (z.B indem die Horizontalbewegung bei einem Frontaufprall gezielt in eine Vertikalbewegung umgewandelt wird), dann hat man ein in Sachen Sicherheit absolut konkurrenzfähiges Transportmittel. Das Problem ist also weniger die fehlende passive Sicherheit, das Problem sind eher die Ideen und Erwartungen der Kunden. Aufklärungsarbeit wäre nötig, aber auch Erfolg versprechend. Schließlich haben die Menschen auch gelernt, Gurte zu tragen. Und rein instinktiv ist eine feste Schale vielleicht sogar eher Vertrauen erweckend als ein Korpus mit gewollt weichen Zonen.


Regel 5: CFK nicht überschätzen!

BMW hat im öffentlichen Bewusstsein eine sehr enge Verbindung zwischen Elektroantrieb und einer Karosserie aus kohlestofffaserverstärkten Kunststoffen hergestellt.

Fahrzeuge der Submarke BMWi werden, so sind die Erwartungen, den E-Antrieb mit einem CFK-basiertem Leichtbau kombinieren. Das ist naheliegend und es ist leicht zu kommunizieren, denn das Material ist schon seit vielen Jahren als besonders leicht und fest bekannt. So wird es allgemein vor allem mit dem Rennsport assoziiert, sicher keine unerwünschte Gedankenverbindung.

Aber kohlestofffaserverstärkte Kunststoffe haben ein paar peinliche Nachteile, über die man schon jetzt reden und nachdenken sollte. Das Thema Recycling ist im Hinblick darauf, dass die Mobilitätslösung der Zukunft nachhaltig sein muss sicher besonders interessant. Fakt ist: Formteile aus CFK lassen sich überhaupt nicht recyceln! Das Material kann zwar mittlerweile so zerlegt werden, dass es nicht zum Sondermüll wird, der noch Jahrzehnte nach Ende der Nutzung gelagert werden muss. Aber eine ernsthafte Wiederverwendung von CFK ist ausgeschlossen. Der Verbund aus Fasern, die bei der Zerstörung scharfkantigen, mirkofeinen Staub bilden, und nicht einschmelzbaren Duroplasten ist umwelttechnisch mit mehr Problemen belastetet als uns allen recht sein kann.
Dazu kommt, dass sich CFK-Teile kaum reparieren lassen. Im Falle eines strukturschädigenden Unfalls bleibt nur der Austausch, oder in seltenen Fällen die Wiederherstellung mit einem aufgesetzten Reparaturteil. Immer entstehen dabei Kosten, die spürbar höher sind als die für eine konventionelle Reparatur.

In der Fachzeitschrift OEM&Lieferant, 2/2011, S. 12 beschreibt Siegfried Frick, Head of Automotive Supplier beim Unternehmensberater Deloitte Germany diese Probleme ausführlich, und er fügt hinzu. "…die Vorteile der Faserverbundkunststoffe werden gegenwärtig erheblich überschätzt." Er verweist darauf, dass Magnesium und Aluminium höheres Potential haben und eine Legierung aus beidem mit Mangan sehr viel versprechende Eigenschaften zeigt.

Zu ergänzen wäre, dass auch mit den klassischen Materialien dank neuer Technologien große Fortschritte bei der Gewichtsreduzierung gemacht werden. So genannte Tailored Blanks, also Stahlplatinen mit wechselnden Stärken, Umformtechniken für Hohlteile mit Wasser- oder Luftdruck, hochfeste Bauteile aus formgehärteten Stahl – das alles ist bereits verfügbar und hilft, Gewicht zu sparen. Nicht zuletzt eröffnet die Überwindung der jahrzehntelang üblichen Schalenbauweise neue Möglichkeiten. Aus dem ASF, dem Aluminium Space Frame wird bei Audi im Moment der MSF entwickelt, also der Multi Material Space Frame, bei dem jedes einzelne Element aus dem jeweils optimalen Werkstoff (und in dem jeweils am besten geeigneten Verfahren) gefertigt wird.

Die homogene, selbsttragende Stahlkarosserie hat langsam ausgedient. Das wird – zumindest wäre das vernünftig und angemessen – auch Auswirkungen auf die Gestaltung der Fahrzeuge haben. Noch werden gebogene Strangpressprofile hinter herkömmlich geformten Aussenschalen verborgen. Die Designer haben ab sofort die schöne Aufgabe, sich mal wieder mit Fertigungstechniken und Materialien zu befassen, und die Chance, den neuen Techniken einen gewissen Einfluss auf die Formensprache zu gewähren.


Am Ende steht die Erkenntnis, dass der Wechsel der Antriebstechnik auch zu einem Wechsel der Konzepte und der Formen führen wird. Erwartungen, man könne das Auto behalten und einfach den Antrieb austauschen, werden wahrscheinlich enttäuscht werden. Die Auswirkungen dieses Wandels werden letztendlich auch die Einstellung zum und den Umgang mit dem Fahrzeug verändern. Wie im vorherigen Text schon angedeutet: Der Gegenstand wird mehr für seine Leistung und weniger für seine Erscheinung geschätzt werden. Der aggressiven Selbstdarstellung, die bisher weit verbreitet ist, wird die Grundlage entzogen. Junge Stadtbewohner, für die das Auto eine vollkommen andere (und erheblich geringere) Bedeutung hat, werden die ersten sein, die hier einsteigen…

Kommentare:

  1. Gute Analyse, nur was das CFK angeht, bestätigt die Aussage meine Erfahrung, das auf diesem Gebiet zu viele selbsternannte "Experten" mit gefährlichem Halbwissen herumlaufen (auch bei Deloitte Germany).
    So ist es zwar richtig, das sich CFK stofflich kaum vernünftig recyceln lässt, man kann es aber immer noch ganz umproblematisch verbrennen (es ist bei der Verbrennung erheblich sauberer, als die in Kraftwerken zig-tonnenweise verbrannte Steinkohle).
    Im Übrigen ist der Energieverbrauch bei der Herstellung neuer CFK Bauteile geringer, als die Herstellung von vergleichbaren Bauteilen aus RECYCELTEM Aluminium, wie man unschwer aus entsprechenden Lebenslaufanalysen des DLR entnehmen kann. (Das DLR ist die deutsche NASA, die Fertigungstechnologien für BEIDE Werkstoffe seit Jahrzehnten kompetent erforscht, was die Automobilindustrie bisher nicht von sich behaupten kann.)

    Was die Reparierbarkeit von CFK angeht, so kann ich aus eigener, über 20-jähriger Erfahrung mit diesem Werkstoff versichern, das man fast JEDEN Schaden an CFK-Bauteilen wieder reparieren kann (sehr im Gegensatz zu Alubauteilen übrigens), irgendwann wird es halt unwirtschaftlich. Ich habe jedenfalls schon Zellen mit zertrümmertem Boden, die zudem an 5-6 Stellen großflächig aufgebrochen waren, repariert und problemlos durch die Zulassung bekommen. Eine entsprechende Metallzelle wäre da ein Totalschaden gewesen. Nur: das Know-How dazu gibt es in der Automobilindustrie zur Zeit nur vereinzelt (und offensichtlich nicht bei Deloitte).

    Die Horrorstories mit dem mikrofeinen Staub sind eigentlich seit den späten 80ern auch Geschichte, ich frage mich wirklich, warum diese alten Kamellen wieder ausgegraben werden. Da könnte ich auch händeringend vor dem Asbest in Bremsbelegen warnen.
    Das übrige Umweltgefährdungspotential von CFK liegt etwa auf dem Niveau von Rohsteinkohle, ist also recht gut beherrschbar - besser beherrschbar jedenfalls, als das von Benzin.

    Was die Fortschritte bei den Metallen angeht: Die sind zwar alle ganz nett, Fakt ist aber, dass CFK eine mehr als doppelt so hohe gewichtsspezifische Festigkeit hat, wie alle bekannten Metalle/Legierungen!! Das LeichtbauPOTENTIAL von CFK ist daher entsprechend höher. Ausgenutzt wird dieses Potential bisher kaum, was im wesentlichen an mangelnder Werkstoffkenntniss liegt. CFK ist nun eimal GANZ anders als eine Metallegierung, und gute CFK-Konstrukteure wachsen nicht gerade auf den Bäumen... hier ist noch vieles im Argen.

    AntwortenLöschen
  2. Danke für die Klarstellung. Man kann den Materialmixern also relativ sorgenfrei beim Optimieren zuschauen.
    Nur dass eine Gesamtstruktur aus CFK für die Serie eine gute Idee ist, das glaube ich immer noch nicht.

    AntwortenLöschen