Evaluierung des Einsatzes von grünem Stahl im Karosseriebau

Vogt, Elias, Gebhard

doi:10.24355/dbbs.084-202511190924-0

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Evaluierung des Einsatzes von grünem Stahl im Karosseriebau

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Zur Reduzierung der Umweltwirkungen eines Fahrzeugs können Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Dadurch verschieben sich die Emissionen innerhalb des Lebenszyklus von der Nutzungs- zur Herstellungsphase. Daher bedarf es einer Analyse der Treibhausgasemissionen-Hotspots in dieser Phase. Insbesondere die Karosseriebauteile aus Stahl stellen neben der Batteriefertigung einen Hotspot dar. Um die Stahl-Karosseriebauteile ökologisch zu optimieren, kann sogenannter grüner Stahl eingesetzt werden. Der grüne Stahl hat ein geringeres Treibhausgaspotenzial als der konventionelle Stahl, resultierend aus einer Prozessänderung: Zukünftig kann Stahl über eine wasserstoffbasierte Direktreduktionsroute oder eine schrottbasierte Elektrolichtbogenofenroute hergestellt werden. Diese Routen führen allerdings zu neuen technischen Herausforderungen. Daher muss zunächst eine Evaluierung aus technischer Sicht erfolgen, bevor ein Einsatz von grünem Stahl in Karosseriebauteilen erfolgen kann.

Um eine Bewertung des Einsatzes von grünem Stahl vorzunehmen, wird zunächst eine Methodik entwickelt, die aus drei Schritten besteht. Zunächst erfolgt eine Analyse der Randbedingungen, die bei der Durchführung der Methodik berücksichtigt werden müssen. Anschließend werden die Versuchswerkstoffe nach zuvor definierten Prämissen ausgewählt und es wird eine Versuchsmatrix entwickelt, die die automobile Prozesskette Presswerk-Karosseriebau-Lackiererei umfasst. Dadurch wird eine vollumfängliche Bewertung für den automobilen Einsatz ermöglicht. Nachdem die Versuche experimentell durchgeführt sind, erfolgt eine Auswertung und Analyse der Versuchsergebnisse. Dabei wird die Erfüllung der jeweiligen Norm und die Vergleichbarkeit zum Referenzprodukt fokussiert, um potenzielle Abweichungen, resultierend aus einer Änderung der Stahlherstellungsroute, zu identifizieren. Um die Zusammenhänge zwischen der Herstellroute und den mechanischen Eigenschaften darzulegen, wird eine Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation aufgezeigt.

Anschließend wird die Methode durch eine Fallstudie experimentell erprobt. Dazu werden fünf Versuchswerkstoffe aus der schrottbasierten EAF-Route ausgewählt, die die zuvor entwickelte Versuchsmatrix durchlaufen. Auf Basis dieser Fallstudie werden Abweichungen und Auffälligkeiten erkannt, die auf einen erhöhten Schrotteinsatz zurückgeführt werden. Zudem wird ein charakteristischer „Fingerabdruck“ für grünen EAF-Stahl erarbeitet und Handlungsempfehlungen aus der Fallstudie für den Serienprozess abgeleitet. Abschließend erfolgt eine ökologische und ökonomische Potenzialabschätzung, welche eine Prognose der möglichen ökologischen Einsparungen durch den Einsatz von grünem Stahl in Karosseriebauteilen erlaubt.

Electric vehicles can be used to reduce the environmental impact of a vehicle. This shifts the emissions within the life cycle from the use phase to the production phase. It is therefore necessary to analyze the greenhouse gas emission hotspots in this phase. The steel body components represent a hotspot alongside battery production. So-called green steels can be used to ecologically optimize the steel body components. Green steels have a lower greenhouse gas potential than conventional steel as a result of a process change: in future, steel can be produced using a hydrogen-based direct reduction route or a scrap-based electric arc furnace route. However, these routes lead to new technical challenges. Therefore, an evaluation must be carried out from a technical perspective before green steels can be used in car body components.

In order to be able to evaluate the use of green steel, a methodology consisting of three steps is first developed. First, the boundary conditions, that must be taken into account when carrying out the methodology, are analyzed. The test materials are selected according to previously defined premises and a test matrix is developed, that covers the automotive process chain of press shop, body shop and paint shop. This enables a comprehensive evaluation for automotive use. Once the tests have been carried out experimentally, the test results can be evaluated and analyzed. The focus is on compliance with the respective standard and comparability with the reference product in order to be able to identify potential deviations resulting from a change in the steel production route. A process-structure-property correlation is shown to illustrate the relationships between the production route and the mechanical properties. The method is then tested experimentally in a case study. For this purpose, five test materials from the scrap-based EAF-route are selected and run through the previously developed test matrix. On the basis of this case study, deviations and anomalies can be identified that can be attributed to an increased use of scrap. In addition, a characteristic “fingerprint” for green EAF steels can be developed and recommendations for action can be derived from the case study for the series production process. Finally, an ecological and economic potential assessment is carried out, which allows a forecast of the possible ecological savings through the use of green steel in car body components.