EINBLICK: Der Übergang zu Elektrofahrzeugen treibt die Innovation im Kunststoffbereich voran, wobei die USA ein wichtiger Knotenpunkt sind

Joseph Chang

19.04.2023

TROY, Michigan (ICIS) – Der Übergang zu Elektrofahrzeugen (EV) wird Innovationen und Investitionen in Kunststoffe vorantreiben, um sie leichter zu machen, die Hitzebeständigkeit kritischer Komponenten zu verbessern und Lärm und Vibrationen zu reduzieren. Und die USA werden zu einer Drehscheibe für massive Neuinvestitionen in diesem Sektor, wobei der US Inflation Reduction Act (IRA) der treibende Motor sein wird.

Was macht den Elektrofahrzeugsektor zu einer solchen Innovationsschmiede? Nach Angaben des Center for Automotive Research (CAR) handelt es sich natürlich immer noch um eine aufstrebende Branche mit einem Marktanteil von nur etwa 7 % in den USA beim Pkw-Absatz.

Ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit der Tatsache, dass es sich um eine relativ neue Branche handelt, ist die mangelnde Standardisierung von Autoteilen und Systemen für Elektrofahrzeuge – sowohl im Design als auch in den Materialien.

Für die Kunststoffindustrie bietet dies eine große Chance, Innovationen zu entwickeln und neue problemlösende Komponenten für Elektrofahrzeuge anzubieten – in Form von Verbundwerkstoffen aus Polypropylen (PP), Polyamid (Nylon), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC). ), ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), Polyethylenterephthalat (PET) und mehr.

Kunststoffhersteller und Teilelieferanten diskutierten Ideen und stellten neue Produkte und Konzepte auf der Plastics in Electric & Autonomous Vehicles Conference (EAV) vor, die von der Society of Plastics Engineers (SPE) in Troy, Michigan, USA, veranstaltet wurde.

Konzentrieren Sie sich auf den AkkuEin besonderer Schwerpunkt liegt auf dem EV-Batteriepaket – einem riesigen System mit mehreren Komponenten, die neben anderen Eigenschaften unterschiedliche Grade an Hochtemperatur- und Hochspannungsbeständigkeit erfordern.

Die Verwendung von PP als Hauptharz in Batteriesätzen für Elektrofahrzeuge dürfte dazu führen, dass der weltweite PP-Verbrauch in Leichtfahrzeugen von heute etwa 61 Kilogramm (kg) pro Fahrzeug auf 99 kg pro Fahrzeug im Jahr 2050 ansteigt, sagte Kevin Swift, leitender Ökonom für globale Chemikalien bei ICIS.

Mengenmäßig würde der weltweite PP-Verbrauch von Leichtfahrzeugen bis zum Jahr 2050 von 2,57 Mio. Tonnen/Jahr auf 10,3 Mio. Tonnen/Jahr steigen, fügte er hinzu.

Dies berücksichtigt in seinem Basisszenario eine stärkere weltweite Verbreitung von Elektrofahrzeugen von 10 % im Jahr 2021 auf 61 % im Jahr 2050. Weitere Materialien, die davon profitieren könnten, sind Polyurethane und Polycarbonat (PC).

Von Batterieträgern bis hin zu Gehäuseabdeckungen, Sammelschienenabdeckungen und Modulgehäusen „gibt es für uns in diesem Bereich so viele Möglichkeiten“, sagte Dave Sullivan, Senior Manager, Vehicle Electrification Marketing, Americas bei SABIC.

„In diesem Bereich gibt es nicht viel Standardisierung“, fügte er hinzu.

SABIC hat mit dem Compoundeur Sanko Gosei an der Herstellung einer 1,6 Meter (5,2 Fuß) langen glasfaserverstärkten PP-Batteriepackabdeckung mit Flammschutzmitteln für Hondas CRV-Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) gearbeitet, das in China produziert wird. Das spritzgegossene Bauteil wiegt etwa 6 kg und soll neben anderen Eigenschaften auch den Passagieren Schutz vor thermischem Durchgehen in einem Batteriepaket bieten, das Brände verursacht.

SCHUTZ VOR THERMISCHEM RUNAWAY„Wenn es zu Bränden kommt, brennen Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien heißer, schneller und sind schwerer zu löschen“, erklärte Sullivan.

Daher sind Wärmemanagement und -schutz eine entscheidende Chance bei Elektrofahrzeugen für den Kunststoffsektor.

Polyamid werde auch zur Bewältigung der thermischen Instabilität in Elektrofahrzeugen eingesetzt, sagte Kai Becker, globaler Anwendungsleiter bei Ascend Performance Materials.

Das mit Flammschutzmitteln versehene Polyamid 6,6 (PA66) von Ascend kann den Schmelzpunkt von PA66 erheblich erhöhen, sodass es sich für Stromschienen eignet, um die elektrische Isolationsverbindung während eines thermischen Ereignisses aufrechtzuerhalten, sagte Becker.

Es könne auch in Batteriemodulgehäusen eingesetzt werden, um die Brandausbreitung von einem Modul zum nächsten zu verhindern, fügte er hinzu.

Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie innovative Kunststoffverbundwerkstoffe zur Lösung von Herausforderungen eingesetzt werden können, die für Elektrofahrzeuge einzigartig sind.

US-Marktanteil für Elektrofahrzeuge steigt mit IRADer US-Absatz von Elektrofahrzeugen (EVs) dürfte bis 2030 auf 41 % ansteigen, angetrieben durch Anreize im US Inflation Reduction Act (IRA) und einen enormen Anstieg der EV-bezogenen Investitionen von OEMs und Zulieferern, so der Chef des Center for Automotive Research (CAR).

Die US IRA gewährt Steuergutschriften von bis zu 7.500 US-Dollar pro Passagier-Elektrofahrzeug für in Nordamerika hergestellte Fahrzeuge und Schwellenwerte für Batteriekomponenten und kritische Mineralien aus Nordamerika und Ländern, die Freihandelsabkommen (FTAs) mit den USA haben – 50 % für Batteriekomponenten und 40 % für kritische Mineralien ab dem 18. April 2023 und steigt bis 2024 auf 60 % bzw. 50 % und in den darauffolgenden Jahren noch höher.

Es bietet auch Anreize für gebrauchte und kommerzielle Elektrofahrzeuge sowie für Komponenten- und Mineralienlieferanten.

Automobilhersteller sind mit Rekordinvestitionen in Nordamerika führend, wobei die Investitionen in Elektrofahrzeuge und Elektrofahrzeugbatterien seit Jahresbeginn 2019–2023 87 % der insgesamt 134 Milliarden US-Dollar an angekündigten Projekten in der Region ausmachen, sagte Alan Amici, Präsident und CEO von CAR.

Laut CAR war 2022 ein Rekordjahr für angekündigte nordamerikanische Automobilinvestitionen mit Projekten im Wert von über 50 Milliarden US-Dollar.

„Als Zulieferer verringert sich dadurch Ihr Risiko, da die OEMs viel Geld in Elektrofahrzeuge stecken. Der Übergang zu Elektrofahrzeugen findet statt – es gibt kein Zurück“, sagte Amici.

Für Zulieferer von Kettenautos seien im Zeitraum 2020–2023 Investitionen in Höhe von 82,3 Milliarden US-Dollar angekündigt worden, von denen 75 % in die Elektrifizierung flossen, sagte er.

Die Prognose, dass die USA einen Marktanteil von 41 % für Elektrofahrzeuge – zu denen batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) gehören – erreichen wird, ist gegenüber 30 % im Jahr vor der Pandemie im Jahr 2019 gestiegen. Während der Pandemie und vor der IRA Amici wies darauf hin, dass die Prognose aufgrund der größeren wirtschaftlichen Unsicherheit auf lediglich 21 % gesenkt wurde.

Laut CAR machen Elektrofahrzeuge heute nur noch etwa 6,9 % der Autoverkäufe aus.

EV-LEICHTGEWICHTUNG KRITISCHERWährend der Anteil von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen an der Materialzusammensetzung von Fahrzeugen seit fünf Jahren relativ konstant bei 8,9 % liegt, gebe es in diesem Bereich „eine enorme Chance“, da Kunststoffe eine Schlüsselrolle bei der Herausforderung der Gewichtsreduzierung spielen, sagte Amici.

Ein Pkw-Elektrofahrzeug ist in der Regel 500–1.000 kg (1.100–2.200 lb) schwerer als ein herkömmliches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, was eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich bringt, die über die Reichweite hinausgehen – Reifenzusammensetzung und -design, Bremsen, Crash-Eigenschaften und Aufhängungsgeometrie wies darauf hin.

KAMPF UM EV-REICHWEITE„Der Kampf um die Reichweite von Elektrofahrzeugen hat die Bedeutung von Kunststoffen deutlich erhöht“, sagte Jamie Brewer, leitender Chefingenieur für Ultium Upscale SUVs beim US-Automobilhersteller GM.

„Der Vorstoß zu Elektrofahrzeugen hat alle OEMs dazu gezwungen, darüber nachzudenken, wo alle Chancen liegen, um von zukünftigen Innovationen zu profitieren“, fügte sie hinzu.

Der Einsatz von Thermoplasten in Kühlmittelsystemen für Elektrofahrzeuge könne eine hohe Leistung und auch ein um über 60 % geringeres Gewicht als herkömmliche Gummischlauchsysteme bieten, stellte der Geschäftsführer fest.

Weitere Anwendungen für Kunststoffe in Elektrofahrzeugen umfassen den Motoranschlussring (Hochtemperatur), das Heckklappensystem, die Instrumententafel, den Durchflussspoiler, die Außenfrontbeleuchtung, die Lichtlamellen der Rückleuchten und die Frontplatten (Kühlergrill), sagte Brewer.

Viele der Anwendungen könnten zwar auch in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eingesetzt werden, doch das höhere Gewicht von Elektrofahrzeugen und das Streben nach größerer Reichweite pro Ladung treiben größere Innovationen in diesem Bereich voran, sagte sie.

GM investiert bis 2025 35 Milliarden US-Dollar in Elektrofahrzeuge und autonome Fahrzeuge (AVs) mit dem Ziel, bis 2025 weltweit 30 neue Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen. Außerdem investiert das Unternehmen 750 Millionen US-Dollar, um den Aufbau der Ladeinfrastruktur zu unterstützen.

SYSTEME OPTIMIEREN Es ist nicht nur der Leichtbau, der die Reichweite von Elektrofahrzeugen steigern kann. Celanese arbeitet an einem ehrgeizigen Projekt zur Entwicklung einer neuen Batteriestruktur mit höherer Energiedichte, die weniger Platz einnimmt und mehr Leistung liefert, sagte Pat Granowicz, Anwendungsingenieur für Elektrofahrzeugbatterien beim Unternehmen.

Der 3-in-1-Ansatz von Celanese für eine effizientere Verpackung umfasst ein Kühlsystem aus glasfaserverstärktem Polyphthalamid (PPA), elektrische Verbindungen unter Verwendung von Aluminium, das mit einem Nylonrahmen verbunden ist, und einen PPA-Strukturrahmen, betonte er.

Die neue Struktur würde es OEMs ermöglichen, dem Paket mehr Batterie-Pouch-Zellen hinzuzufügen, was die Reichweite deutlich erhöhen würde, sagte Granowicz.

CO2-FUSSABDRUCKWährend Elektrofahrzeuge selbst einen großen Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen leisten werden, berücksichtigen Autohersteller auch die Nachhaltigkeit der in den Fahrzeugen verwendeten Materialien, um ehrgeizige Ziele zu erreichen.

Der größte Einfluss auf die Nachhaltigkeit und den CO2-Fußabdruck eines Fahrzeugs wird in den frühen Phasen der Produktentwicklung durch Konzept und Design erzielt, sagte ein Manager des in den USA ansässigen Herstellers von Elektrofahrzeugen (EV) Rivian.

„Rivian integriert Design für Nachhaltigkeit aktiv in den Produktentwicklungsprozess“, sagte Dean Stevenson, Senior Director of Interiors bei Rivian.

Ein Teil davon ist die Berücksichtigung der Kohlenstoffintensität der Inputs mit Schwerpunkt auf recycelten oder biobasierten Materialien. Das Unternehmen strebe danach, eine nachhaltige Kette von Lieferanten mit Nachhaltigkeitsambitionen sowie nach Möglichkeit lokale Lieferanten für eine effiziente Logistik zu schaffen, fügte er hinzu.

Rivian nutzt die Lebenszyklusanalyse (LCA) zur Bewertung alternativer Materialien in frühen Entwurfsphasen.

Beispielsweise wurde für ein bestimmtes Autoteil anstelle einer Draht- und Stanzbaugruppe eine spritzgegossene Nylonhalterung mit 50 % Recyclinganteil verwendet, was die CO2-Äquivalentemissionen um über 30 % reduzierte, betonte Stevenson.

Das Unternehmen bewertet sowohl die CO2-Emissionen bei der Herstellung als auch bei der Nutzung (z. B. Energieeinsparungen).

Für die Polsterstruktur seiner Rücksitze ersetzte Rivian die traditionelle Struktur aus röhrenförmigem und gestanztem Stahl durch eine Struktur aus expandiertem PP, wodurch die CO2-Äquivalentemissionen um über 30 % und das Fahrzeuggewicht um 10 kg (22 lb) reduziert wurden, sagte Stevenson.

Rivian hat Nachhaltigkeit auch in seine NVH-Systeme (Noise, Vibration and Harshness) integriert, indem es Baumwolle und 70 % recyceltes PET anstelle des herkömmlichen EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) verwendet. Dies habe zu 70 % geringeren CO2-Äquivalent-Emissionen und einer Gewichtsreduzierung von etwa 4 kg geführt, sagte der Geschäftsführer.

„Wir sind bereit, einen Preis zu zahlen, um mehr PCR (Post-Consumer-Recyclingmaterial) in Fahrzeuge zu bringen, aber mit der Zeit wird das kostenneutral werden“, sagte Stevenson.

Insight-Artikel vonJoseph Chang

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