Ist Leichtbau überschätzt?

Die Debatte begann mit ein paar Kiessäcken. Ende 2017 beluden Ferdinand Dudenhöffer und seine Mitarbeiter zwei Elektroautos mit 300 Kilogramm Ballast und maßen den Verbrauch auf einer 100 Kilometer langen Teststrecke. Das Ergebnis: Ein Tesla S verbrauchte nur 0,6 Prozent mehr Strom, bei einem BMW i3 waren es 4,4 Prozent. "Auch der BMW i3 bestätigt damit, dass Gewichtseinsparung bei Elektroautos nicht die erste Priorität sein kann", schreibt der Leiter des CAR – Center Automotive Research.

Die Leichtbau-Experten schrien auf: "Den Leichtbau beim Elektroauto als überflüssig zu definieren, ist schlichtweg Unsinn", polterte etwa Heinrich Timm, ehemaliger Leiter des Audi-Leichtbauzentrums Neckarsulm. Auch dafür liefert Dudenhöffers Versuch gewisse Argumente: Absolut betrachtet verbrauchte der rund zwei Tonnen schwere Tesla im Test deutlich mehr als der weitaus leichtere BMW – unbeladen 17,77 statt 12,9 Kilowattstunden auf 100 Kilometern. Dieser Unterschied spiegelt sich auch in den offiziellen Verbrauchsangaben wider (siehe Grafik rechts).

Wie passt das zusammen? "Im Prinzip haben beide Parteien in gewisser Weise recht", sagt Volker Blandow, Leiter E-Mobilität beim TÜV Süd. "Klar ist: Kleinere, kompakte Elektroautos verbrauchen weniger als große und schwere, insofern bleibt Leichtbau natürlich sinnvoll."

Schließlich bedeutet eine kleinere Batterie bei gleichen Fahrleistungen auch weniger Rohstoffe, was die Umwelt entlastet. "Aber richtig ist auch, dass beim Elektroauto nicht der letzte, oft sehr teure Materialaufwand in der Gewichtsoptimierung erfolgen muss." Zum einen hält Blandow die Reyclingfähigkeit für wichtiger als Highend-Leichtbau mit schlecht wiederzuverwertenden Materialien. Zum anderen können Elektroautos rekuperieren: Beim Bremsen werden die E-Motoren zu Generatoren und speisen Strom zurück in die Akkus. "Wenn Sie aber ein schweres Fahrzeug beschleunigt haben, ist dessen Bewegungsenergie größer als die eines leichten Fahrzeugs", sagt Blandow. "Man kann in absoluten Zahlen dementsprechend auch mehr Energie beim Bremsen zurückgewinnen."

Das gelte jedenfalls so lange, wie die Generatorleistung nicht überschritten wird, schränkt Dirk Uwe Sauer ein, Professor für Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen. Er hatte schon 2015 einen ähnlichen Versuch wie Dudenhöffer durchgeführt. Bei den Testfahrten mit einem Mitsubishi i-MiEV zeigte sich zunächst ein ähnliches Bild: Bis zu einer Zuladung von 320 Kilogramm stieg der Verbrauch nicht wesentlich an. Erst ab 400 Kilogramm machte er einen Sprung um rund 30 Prozent. "Die Gesamtmasse des beladenen Fahrzeugs war so groß, dass die Leistung des Generators überschritten wurde. In diesem Zustand wird kaum noch Energie zurückgewonnen", sagt Sauer.

In der Praxis, wenn das E-Auto nicht gerade maximal beladen ist, trete diese Situation aber kaum auf. Und gerade leistungsstarke E-Autos wie der Tesla Model S seien ausreichend motorisiert, um viel Energie zurückgewinnen zu können.Je schwerer, desto höher der Verbrauch? Auf den ersten Blick ist der Zusammenhang eindeutig: Ein hohes Gewicht korreliert stark mit einem hohen Verbrauch nach dem "Neuen Europäischen Fahrzyklus". Allerdings spielen auch andere Faktoren wie Roll- und Luftwiderstand eine Rolle. (Laut ADAC, der mit einem eigenen Zyklus testet, sind die realen Verbräuche rund 40 Prozent höher.)Quelle: Herstellerangaben, eigene Recherche

Warum aber macht sich die Rekuperation kaum bemerkbar, wenn man Gewicht und Verbrauch verschiedender Modelle gegenüberstellt? Zu erwarten wäre, dass der Verbrauch zumindest weniger stark ansteigt als bei Verbrennern. Tatsächlich aber ist der Anstieg ebenfalls nahezu linear.

Eine Erklärung sind Umwandlungsverluste, wie der Automobilzulieferer EDAG hat in der Fachzeitschrift "Lightweight Design" schreibt: Bei einem angenommenen Wirkungsgrad des elektrischen Antriebsstrangs von 86 Prozent gehen insgesamt 28 Prozent der Energie verloren, da der Umwandlungsverlust zweimal anfällt – jeweils beim Beschleunigen und beim Rekuperieren. 100 Kilogramm weniger Gewicht senken nach Berechnungen von EDAG den Stromverbrauch im Stadtverkehr um rund vier Prozent – Rekuperation hin oder her.

Eine weitere Erklärung für die widersprüchlichen Ergebnisse: "Andere Einflüsse auf den Verbrauch sind bei Weitem signifikanter als das Gewicht", sagt ein ADAC-Sprecher – zum Beispiel Roll- und Luftwiderstand. Mit schmalen, leichtlaufenden Reifen mit großem Durchmesser ließen sich "auch bei Verbrennern sofort bis zu zehn Prozent Kraftstoff einsparen", bestätigt TÜV-Mann Volker Blandow. Der Preis dafür: Die Autos fahren sich etwas unruhiger, was sich bei niedrigem Tempo aber kaum bemerkbar mache. Der deutsche Kunde möchte aber offenbar stets für Tempo 200 gerüstet sein – Leichtlaufreifen kauft jedenfalls kaum jemand. Für den BMW i3 etwa gibt es seit anderthalb Jahren breitere Reifen im Angebot. Das sei ein "klarer Kundenwunsch", so BMW-Pressesprecher Wieland Brúch. Und besonders leistungsstarke Wagen kommen ohnehin ab Werk auf breiten Schlappen daher.

Ein weiterer Faktor ist die Aerodynamik – schließlich steigt der Luftwiderstand im Quadrat zur Geschwindigkeit. Und gerade SUVs sind nicht nur schwer, sondern haben auch eine große Stirnfläche.

Manchmal kann sogar zusätzliches Gewicht den Stromdurst reduzieren – wenn es etwa in einer besseren Isolierung des Innenraums oder in einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen steckt. "Hier sind sicherlich noch ein paar Kilowattstunden einzusparen", meint Blandow.

Ob sich Leichtbau angesichts dieser Alternativen lohnt, ist eine einfache Rechnung. Ihr zugrunde liegt der Preis für eine Kilowattstunde Batteriekapazität – derzeit rund 120 Euro. Braucht ein E-Auto durch Gewichtseinsparungen eine Kilowattstunde weniger, rechnen sich die Maßnahmen nur, wenn sie günstiger als 120 Euro sind, wie Sauer vorrechnet.

Weit außerhalb dieser Marke liegen augenscheinlich Karosserien aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Leichtbau-Pionier BMW hatte sie für seine Modelle i3 und i8 eingeführt. Allein in eine US-Fertigungsanlage hatte das Unternehmen mit der SGL Group mindestens 72 Millionen Euro investiert.

Bei künftigen Modellen will BMW den CFK-Anteil jedoch deutlich reduzieren. "Beim i3 ging es uns vor fünf Jahren darum, zu zeigen, was maximal möglich ist", sagt Brúch. "Seitdem ist der Preis pro Kilowattstunde enorm gefallen. Insgesamt haben wir heute eine vollkommen andere Situation."

Im Elektro-SUV iNext, der 2021 auf den Markt kommen soll, wird CFK hauptsächlich im Dachbereich zum Einsatz kommen. Das senkt nicht nur den Verbrauch, sondern auch den Schwerpunkt. "Mit tieferem Schwerpunkt verbessert sich die Fahrdynamik", so BMW-Sprecher Brúch. (grh)