Auch im Verkehr wird gerade eine Energiewende angestrebt: Antriebsenergien aus erneuerbaren Quellen und elektrische Antriebe versprechen eine nachhaltige Mobilität. Doch wie bewegen wir uns im Jahr 2030 wirklich fort? Welche Fahrzeugkonzepte werden dabei eine Rolle spielen? Und wie muss sich Mobilität in urbanen Räumen wandeln, um effektiv und nachhaltig zu sein? Verbunden mit einem effizienten Energienetz können Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung neue Ansätze zur Verfügung stellen, um die zukünftigen Herausforderungen zu bewältigen. Wie die Zukunftskonzepte auch aussehen mögen, das bedeutende Funktionsmetall Kupfer wird dabei immer eine wesentliche Rolle spielen – bei den Antrieben, den Energiespeichern und der Leistungselektronik ebenso wie beim Ausbau des Infrastrukturnetzes. Das bestätigte jetzt auch eine Expertenrunde, die sich auf Einladung des Deutschen Kupferinstituts mit diesem Thema beschäftigte.
Die zunehmende Verschärfung der CO2-Grenzwerte für Pkw in Europa stellt Fahrzeughersteller vor die Herausforderung, effizientere Fahrzeugantriebe zu entwickeln und zu vermarkten. Es gilt zudem, ein erschwingliches Preisniveau in der Elektromobilität zu erreichen. Der Kaufpreis von Elektrofahrzeugen muss billiger, die Reichweiten durch die Entwicklung z.B. der Lithium-Ionen-Batterie erhöht werden. Der Aufbau entsprechender Infrastrukturen ist eine weitere wichtige Voraussetzung. Nur so kann der Marktanteil von gerade mal rund 32.000 angemeldeten Elektroautos in Deutschland merklich erhöht werden.
Megatrends bestimmen automobile Zukunft
„Die Megatrends „Umweltschutz“, „Urbanisierung“ und „kultureller Wandel“ führen zu veränderten Zielsetzungen für die Kraftfahrzeuge der Zukunft“ erläuterte Ingo Olschewski von der Forschungsgesellschaft Kraftfahrtwesen in Aachen (FKA) die Ausgangssituation für die Automobilbranche. „Die EU möchte die durchschnittlichen CO2-Emissionen von neuen Kraftfahrzeugen signifikant reduzieren. Technologisch ist dies mit einer Reihe von Maßnahmen (konventionelle Optimierung bis batterieelektrische Fahrzeuge) möglich. Die größte Herausforderung liegt in der wirtschaftlichen Darstellung der neuen Technologien für den Endkunden. Weiterhin gilt langfristig das Ziel, die Anzahl der Unfalltoten und im Verkehr schwer verletzten Personen bis auf 0 zu reduzieren.“
In zahlreichen Studien hat das FKA festgestellt, dass die fahrzeuginterne Vernetzung sich zunehmend zu einer Vernetzung des gesamten Verkehrs entwickelt. Zukünftig werden sich durch die Vernetzung neue Mobilitätsangebote ergeben, welche die Nutzung von Fahrzeugen in den Vordergrund stellen. Neben der Sicherheit / FAS werden das Entertainment und Internetanwendungen die weitere Vernetzung vorantreiben.
Schlüsseltechnologien weiterentwickeln
Dazu Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW): „Für das Autoland Deutschland hat die Entwicklung der Elektromobilität einen hohen industriepolitischen Hintergrund. Die Nutzung erneuerbarer Energien im Kraftstoffsektor sowie die Verwendung hocheffizienter elektrischer Antriebe im Fahrzeug sind notwendig, um die ambitionierten Klima- und Effizienz-Ziele des Verkehrssektors zu erreichen. Batterie-, Wasserstoff- und Brennstoffcelletechnologien sind hierfür Schlüsseltechnologien; sie können einen entscheidenden Beitrag zum 2-Grad-Szenario der internationalen Gemeinschaft leisten.“ Denn die Verwendung von erneuerbarem Strom im Verkehr – direkt in Batteriefahrzeugen oder indirekt als Wasserstoff aus der Elektrolyse für Brennstoffzellenfahrzeuge oder die weitere Verwendung des erneuerbaren Wasserstoffs in Power-to-x-Anwendungen – ist laut NOW auch noch netzdienlich und unterstützt somit die Stromwende. Bonhoff: „Um die Alltagstauglichkeit von Wasserstoff als Kraftstoff nachzuweisen, führt NOW das Projekt „Clean Energy Partnership“ (CEP)“ durch – mit einer Brennstoffzellen-Pkw-Flotte, die aus mehr als 100 Demonstrations-fahrzeugen besteht, für die es Wasserstofftankstellen u.a. in Berlin, Hamburg, Düsseldorf, Stuttgart und München gibt.“
Keine Mobilität ohne Kupfer
Wie auch bei anderen Antriebsarten ist die Entwicklung der Batterietechnologie eng mit dem Einsatz von Kupfer verbunden. Dazu Dr. Anton Klassert, Geschäftsführer des Deutschen Kupferinstituts in Düsseldorf: „Schon allein der Lithium-Ionen-Akkumulator besteht zu rund 18% aus Kupfer, da stets die Kathode aus Aluminium und die Anode aus Kupfer als Trägermaterial aufgebaut werden. Mindestens ein Antriebsmotor und ein Umrichter tragen das ihre dazu bei, dass sich in einem solchen Fahrzeug gut und gerne dreimal so viel Kupfer findet wie in einem konventionellen mit Verbrennungsmotor - nämlich rund 25 kg im durchschnittlichen Benziner-Mittelklassefahrzeug. “Für die Zukunft rechnen wir hier sogar mit bis zu 40 kg, da durch den Wunsch nach mehr Komfort viele kleine Elektromotoren benötigt werden, die Kupfer brauchen“, so Klassert weiter. Der höchste Kupferanteil beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor entfällt dabei aber nach wie vor mit 44 – 50 Prozent auf den Kabelbaum. Anders sieht es beim E-Auto aus: „Die größte Zunahme des Kupfergewichts ist im Bereich der bei elektrifizierten Fahrzeugen neu hinzukommenden Komponenten – Antriebsenergiespeicher, Elektromotor, Hochvoltbordnetz, Leistungs-elektronik etc. – zu erwarten.“ Bei einem Plug-in-Hybrid können das in der Mittelklasse bis über 73 kg Kupfer sein, während das E-Auto knapp darunter liegt.
Es ist genug Kupfer da
Trotzdem braucht man sich keine Sorgen darüber machen, ob die durch die Elektromobilität erhöhte Nachfrage nach dem Funktionsmetall gedeckt werden kann: Laut der der USGS, der US-amerikanische United States Geological Survey wurden im Jahr 2013 die weltweiten Reserven mit ca. 680 Mio. t Kupfer angegeben. Dies sind definitionsgemäß die zu heutigen Preisen und mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbaren Anteile an den Vorräten. Die Ressourcen, also die Vorräte, die zurzeit nicht wirtschaftlich gewinnbar sind, jedoch zur Verfügung stehen würden, belaufen sich nach USGS sogar auf über 3.000 Millionen Tonnen. Klassert dazu: „Die Menge der Kupferressourcen berücksichtigt aber noch nicht die enormen Mengen an Kupferlagerstätten, die in Tiefseeknollen und massiv-sulfidischen Lagerstätten gefunden wurden. Durch laufende und zukünftige Explorationsmöglichkeiten wird sich die Zahl der Reserven und bekannten Ressourcen weiter erhöhen. Wer also beim Ausbau der Elektromobilität auf Kupfer setzt, geht kein Risiko ein.“
Der Ausbau der Elektromobilität hängt allerdings nicht nur von der Weiterentwicklung alternativer Antriebssystem ab – ein wichtiger Baustein ist auch die Netzintegration von Energieerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien sowie die Entwicklung von Smart Grids, Batteriesystemen und energieeffizienter Leistungselektronik für stationäre und mobile Anwendungen ein Bereich, mit dem sich das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg intensiv beschäftigt.
Schnittstelle Elektrofahrzeug und Netz
„Unser Schwerpunkt liegt auf der Forschung und Entwicklung im Bereich Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energien“, erläutert Dr. Günther Ebert, Leiter Bereich Elektrische Energiesysteme am ISE, die Tätigkeiten seines Instituts. „Im Bereich der Elektromobilität beschäftigen wir uns insbesondere mit Fragestellungen an der Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Netz. Schwerpunkte sind die Entwicklung innovativer und energieeffiziente Ladetechnik, sowohl kabelgebunden als auch induktiv. Wir arbeiten aber auch daran die Beladung der Elektrofahrzeuge möglichst netzfreundlich zu gestalten und auch an der Rückspeisung der Energie aus dem Fahrzeug ins Netz, um die Fahrzeugbatterie in Zukunft auch als Puffer verwenden zu können. Auch die dafür nötige Kommunikation zwischen Fahrzeug und Netz bzw. dem Energieversorger ist ein wichtiges Thema.“
Auch hier kann Kupfer laut Dr. Klassert punkten: „Generell ist Kupfer bei der Energiewende ein ebenso wichtiges Element wie im Bereich der erneuerbaren Energien. Eine hohe Leitfähigkeit und seine hervorragenden Korrosionseigenschaften prädestinieren den Werkstoff auch hier für viele Einsatzbereiche. So ist Kupfer natürlich auch ein Bestandteil von Stromtankstellen, ob solar oder konventionell. Und auch in der automobilen Kommunikationstechnik bzw. der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Netz ist das Material wie in anderen Bereichen der Datenübertragung zu finden.“
Die Diskussion mit den Experten bestätigte einmal mehr, dass Kupfer seine Berechtigung als wichtiges Funktionsmetall beim Ausbau der Elektromobilität und den entsprechenden Netzen hat. Das Deutsche Kupferinstitut wird in zahlreichen internen und externen Projekten in Zusammenarbeit mit Industrie und Forschung das Thema intensiv weiterverfolgen. Klassert abschließend: „Es liegt noch viel Arbeit vor uns, aber ich bin sicher, die Weiterentwicklung der Elektromobilität bzw. alternativer Antriebe braucht Kupfer.“
Die zunehmende Verschärfung der CO2-Grenzwerte für Pkw in Europa stellt Fahrzeughersteller vor die Herausforderung, effizientere Fahrzeugantriebe zu entwickeln und zu vermarkten. Es gilt zudem, ein erschwingliches Preisniveau in der Elektromobilität zu erreichen. Der Kaufpreis von Elektrofahrzeugen muss billiger, die Reichweiten durch die Entwicklung z.B. der Lithium-Ionen-Batterie erhöht werden. Der Aufbau entsprechender Infrastrukturen ist eine weitere wichtige Voraussetzung. Nur so kann der Marktanteil von gerade mal rund 32.000 angemeldeten Elektroautos in Deutschland merklich erhöht werden.
Megatrends bestimmen automobile Zukunft
„Die Megatrends „Umweltschutz“, „Urbanisierung“ und „kultureller Wandel“ führen zu veränderten Zielsetzungen für die Kraftfahrzeuge der Zukunft“ erläuterte Ingo Olschewski von der Forschungsgesellschaft Kraftfahrtwesen in Aachen (FKA) die Ausgangssituation für die Automobilbranche. „Die EU möchte die durchschnittlichen CO2-Emissionen von neuen Kraftfahrzeugen signifikant reduzieren. Technologisch ist dies mit einer Reihe von Maßnahmen (konventionelle Optimierung bis batterieelektrische Fahrzeuge) möglich. Die größte Herausforderung liegt in der wirtschaftlichen Darstellung der neuen Technologien für den Endkunden. Weiterhin gilt langfristig das Ziel, die Anzahl der Unfalltoten und im Verkehr schwer verletzten Personen bis auf 0 zu reduzieren.“
In zahlreichen Studien hat das FKA festgestellt, dass die fahrzeuginterne Vernetzung sich zunehmend zu einer Vernetzung des gesamten Verkehrs entwickelt. Zukünftig werden sich durch die Vernetzung neue Mobilitätsangebote ergeben, welche die Nutzung von Fahrzeugen in den Vordergrund stellen. Neben der Sicherheit / FAS werden das Entertainment und Internetanwendungen die weitere Vernetzung vorantreiben.
Schlüsseltechnologien weiterentwickeln
Dazu Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW): „Für das Autoland Deutschland hat die Entwicklung der Elektromobilität einen hohen industriepolitischen Hintergrund. Die Nutzung erneuerbarer Energien im Kraftstoffsektor sowie die Verwendung hocheffizienter elektrischer Antriebe im Fahrzeug sind notwendig, um die ambitionierten Klima- und Effizienz-Ziele des Verkehrssektors zu erreichen. Batterie-, Wasserstoff- und Brennstoffcelletechnologien sind hierfür Schlüsseltechnologien; sie können einen entscheidenden Beitrag zum 2-Grad-Szenario der internationalen Gemeinschaft leisten.“ Denn die Verwendung von erneuerbarem Strom im Verkehr – direkt in Batteriefahrzeugen oder indirekt als Wasserstoff aus der Elektrolyse für Brennstoffzellenfahrzeuge oder die weitere Verwendung des erneuerbaren Wasserstoffs in Power-to-x-Anwendungen – ist laut NOW auch noch netzdienlich und unterstützt somit die Stromwende. Bonhoff: „Um die Alltagstauglichkeit von Wasserstoff als Kraftstoff nachzuweisen, führt NOW das Projekt „Clean Energy Partnership“ (CEP)“ durch – mit einer Brennstoffzellen-Pkw-Flotte, die aus mehr als 100 Demonstrations-fahrzeugen besteht, für die es Wasserstofftankstellen u.a. in Berlin, Hamburg, Düsseldorf, Stuttgart und München gibt.“
Keine Mobilität ohne Kupfer
Wie auch bei anderen Antriebsarten ist die Entwicklung der Batterietechnologie eng mit dem Einsatz von Kupfer verbunden. Dazu Dr. Anton Klassert, Geschäftsführer des Deutschen Kupferinstituts in Düsseldorf: „Schon allein der Lithium-Ionen-Akkumulator besteht zu rund 18% aus Kupfer, da stets die Kathode aus Aluminium und die Anode aus Kupfer als Trägermaterial aufgebaut werden. Mindestens ein Antriebsmotor und ein Umrichter tragen das ihre dazu bei, dass sich in einem solchen Fahrzeug gut und gerne dreimal so viel Kupfer findet wie in einem konventionellen mit Verbrennungsmotor - nämlich rund 25 kg im durchschnittlichen Benziner-Mittelklassefahrzeug. “Für die Zukunft rechnen wir hier sogar mit bis zu 40 kg, da durch den Wunsch nach mehr Komfort viele kleine Elektromotoren benötigt werden, die Kupfer brauchen“, so Klassert weiter. Der höchste Kupferanteil beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor entfällt dabei aber nach wie vor mit 44 – 50 Prozent auf den Kabelbaum. Anders sieht es beim E-Auto aus: „Die größte Zunahme des Kupfergewichts ist im Bereich der bei elektrifizierten Fahrzeugen neu hinzukommenden Komponenten – Antriebsenergiespeicher, Elektromotor, Hochvoltbordnetz, Leistungs-elektronik etc. – zu erwarten.“ Bei einem Plug-in-Hybrid können das in der Mittelklasse bis über 73 kg Kupfer sein, während das E-Auto knapp darunter liegt.
Es ist genug Kupfer da
Trotzdem braucht man sich keine Sorgen darüber machen, ob die durch die Elektromobilität erhöhte Nachfrage nach dem Funktionsmetall gedeckt werden kann: Laut der der USGS, der US-amerikanische United States Geological Survey wurden im Jahr 2013 die weltweiten Reserven mit ca. 680 Mio. t Kupfer angegeben. Dies sind definitionsgemäß die zu heutigen Preisen und mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbaren Anteile an den Vorräten. Die Ressourcen, also die Vorräte, die zurzeit nicht wirtschaftlich gewinnbar sind, jedoch zur Verfügung stehen würden, belaufen sich nach USGS sogar auf über 3.000 Millionen Tonnen. Klassert dazu: „Die Menge der Kupferressourcen berücksichtigt aber noch nicht die enormen Mengen an Kupferlagerstätten, die in Tiefseeknollen und massiv-sulfidischen Lagerstätten gefunden wurden. Durch laufende und zukünftige Explorationsmöglichkeiten wird sich die Zahl der Reserven und bekannten Ressourcen weiter erhöhen. Wer also beim Ausbau der Elektromobilität auf Kupfer setzt, geht kein Risiko ein.“
Der Ausbau der Elektromobilität hängt allerdings nicht nur von der Weiterentwicklung alternativer Antriebssystem ab – ein wichtiger Baustein ist auch die Netzintegration von Energieerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien sowie die Entwicklung von Smart Grids, Batteriesystemen und energieeffizienter Leistungselektronik für stationäre und mobile Anwendungen ein Bereich, mit dem sich das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg intensiv beschäftigt.
Schnittstelle Elektrofahrzeug und Netz
„Unser Schwerpunkt liegt auf der Forschung und Entwicklung im Bereich Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energien“, erläutert Dr. Günther Ebert, Leiter Bereich Elektrische Energiesysteme am ISE, die Tätigkeiten seines Instituts. „Im Bereich der Elektromobilität beschäftigen wir uns insbesondere mit Fragestellungen an der Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und Netz. Schwerpunkte sind die Entwicklung innovativer und energieeffiziente Ladetechnik, sowohl kabelgebunden als auch induktiv. Wir arbeiten aber auch daran die Beladung der Elektrofahrzeuge möglichst netzfreundlich zu gestalten und auch an der Rückspeisung der Energie aus dem Fahrzeug ins Netz, um die Fahrzeugbatterie in Zukunft auch als Puffer verwenden zu können. Auch die dafür nötige Kommunikation zwischen Fahrzeug und Netz bzw. dem Energieversorger ist ein wichtiges Thema.“
Auch hier kann Kupfer laut Dr. Klassert punkten: „Generell ist Kupfer bei der Energiewende ein ebenso wichtiges Element wie im Bereich der erneuerbaren Energien. Eine hohe Leitfähigkeit und seine hervorragenden Korrosionseigenschaften prädestinieren den Werkstoff auch hier für viele Einsatzbereiche. So ist Kupfer natürlich auch ein Bestandteil von Stromtankstellen, ob solar oder konventionell. Und auch in der automobilen Kommunikationstechnik bzw. der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Netz ist das Material wie in anderen Bereichen der Datenübertragung zu finden.“
Die Diskussion mit den Experten bestätigte einmal mehr, dass Kupfer seine Berechtigung als wichtiges Funktionsmetall beim Ausbau der Elektromobilität und den entsprechenden Netzen hat. Das Deutsche Kupferinstitut wird in zahlreichen internen und externen Projekten in Zusammenarbeit mit Industrie und Forschung das Thema intensiv weiterverfolgen. Klassert abschließend: „Es liegt noch viel Arbeit vor uns, aber ich bin sicher, die Weiterentwicklung der Elektromobilität bzw. alternativer Antriebe braucht Kupfer.“
