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Innovationstreiber für neue Fahrzeug- & Antriebskonzepte

Innovationstreiber für neue Fahrzeug- & Antriebskonzepte

CO2-REDUZIERUNG, MEGA-CITIES UND MOBILITÄTSGERECHTIGKEIT BESCHLEUNIGEN DIE ENTWICKLUNG NEUER FAHRZEUGKONZEPTE von Thomas Pletsch, TMG CONSULTANTS

In der Automobilindustrie wird die Entwicklung neuer Fahrzeug- und Antriebskonzepte vor allem durch drei globale Megatrends vorangetrieben: die weltweiten Bemühungen und gesetzlichen Vorgaben zur Reduzierung der CO2-Emissionen, die zunehmende Bevölkerungskonzentration in Mega-Cities und urbanisierten Großräumen sowie der immer stärker werdende Wunsch nach persönlicher Mobilität auch außerhalb der wohlhabenden Industrienationen. Die Auswirkungen dieser Megatrends auf Produkte und Prozesse in der Automobilindustrie sind umfassend – schon jetzt ist absehbar, dass es bei der Gestaltung zukünftiger Fahrzeuge zu massiven Änderungen bei zentralen Fahrzeugtechnologien und -konzepten kommen wird.

Eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der Fahrzeug- und Antriebskonzepte nehmen ohne Zweifel die globalen Gesetzgebungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen ein. Über den Hebel der Verabschiedung strengerer CO2-Grenzwerte fungiert der Gesetzgeber als der maßgebliche Treiber für Veränderungen in der gesamten Automotive-Industrie. Die CO2-Thematik betrifft das Fahrzeug als Ganzes, die Auswirkungen strahlen auf eine Vielzahl von Systemen aus. Vorreiter bei der Reglementierung der Emissionen im Fahrzeugbetrieb sind die Industriestaaten. Für die kommenden Jahre wird allerdings erwartet, dass die Vorgaben in allen wichtigen Märkten Verbreitung erfahren werden – mit regional unterschiedlichen Limits basierend auf den bestehenden Grenzwertstufen.

Für uns steht fest: Das Thema CO2-Reduktion bleibt auf Jahre eine der Kernherausforderungen für die Automobilindustrie und auch der wesentliche Treiber für die Weiterentwicklung der Fahrzeug- und Antriebskonzepte. Allein über die Optimierung konventioneller Antriebe wird es nicht gelingen, die vorgegebenen Grenzwerte zu unterschreiten.

Die Automobilunternehmen befinden sich dabei in einem Spannungsfeld zwischen den Vorgaben des Gesetzgebers, Anforderungen seitens der Kunden und der Gesellschaft sowie dem technologischen Wettbewerb untereinander.

 

Abbildung 1:
Das Thema CO2-Reduktion hat massive Auswirkungen auf die Automotive-Industrie

Den Takt gibt der Gesetzgeber vor, wobei in den verschiedenen Regionen der Welt unterschiedliche Vorgaben gelten. Der Entwicklungsdruck besteht dabei insbesondere von Seiten der Stammmärkte, die Vorreiter für zunehmend verschärfte Auflagen sind.

Wie Abbildung 2 zeigt, wird die Anforderungskurve ab 2015 noch einmal deutlich steiler. Dieser Trend wird sich auch über das Jahr 2020 hinaus fortsetzen. In der EU zum Beispiel sind für die Jahre 2025 Grenzwerte für den CO2-Ausstoß zwischen 68 und 78 g/km in der Diskussion. Der Gipfel ist also noch lange nicht erreicht. Im Gegenteil. Der Druck seitens des Gesetzgebers wird immer größer, gleichzeitig ist für 2017 ein neuer weltweiter Messzyklus in Planung – der WLTP1. Momentan werden die Maßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emissionen auf den aktuell geltenden NEFZ-Messzyklus hin optimiert (Neuer Europäischer Fahrzyklus). Die realitätsnäheren Bedingungen des WLTP haben Einfluss auf die jeweiligen Energiesenken im Messzyklus, was eine veränderte Priorisierung der technologischen Stellhebel zur Verbrauchsreduktion und somit neue Prioritäten bei den durchzuführenden Maßnahmen zur Folge hat.

1 - Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure

 

Abbildung 2:
CO2-Ausstoß normiert auf NEFZ (Pkw)

In Summe bedeutet all dies: Um die noch einmal verschärften Grenzwerte 2020/2021 zu erreichen, werden die Automobilkonzerne – insbesondere die Premiumhersteller – erhebliche zusätzliche Kraftanstrengungen unternehmen müssen. Alle werden sich sehr genau überlegen müssen, welche Position sie im Markt- und Technologiewettbewerb einnehmen möchten. Dazu gehören auch Antworten auf die Frage, mit welchen Lösungskonzepten sich die unterschiedlichen CO2-Reduktionsvorgaben in den einzelnen Märkten im Spannungsfeld zwischen dem Kundenwunsch nach bezahlbarer persönlicher Mobilität und den geforderten technologischen Neuerungen am besten und effizientesten realisieren lassen.

Sicher ist: mit inkrementellen Einzelmaßnahmen werden die Herausforderungen auf diesem Feld nicht zu meistern sein. Gefordert ist vielmehr eine grundlegende Neukonzeption des gesamten Fahrzeugs – mit neuen Fahrzeugkonzepten, innovativen Werkstoffen, Technologien und darauf zugeschnittenen Produktionsverfahren. Alternative Antriebstechnologien bilden dabei einen zentralen Stellhebel. Mit einem Portfolio bestehend aus konventionell angetriebenen Fahrzeugen lassen sich die Grenzwerte für 2020 insbesondere im Premiumsegment kaum mehr erreichen. Elektrifizierten Fahrzeugen – insbesondere den Hybriden – kommt daher in den nächsten Jahren eine herausragende Bedeutung bei der Erreichung der CO2-Ziele zu.

An der Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe führt kein Weg vorbei. Nicht abzusehen ist zum aktuellen Stand, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich alternative Antriebstechnologien weiter entwickeln und am Markt durchsetzen werden. Kurz- bis mittelfristig wird sich eine deutlich zunehmende Anzahl an Varianten am Markt etablieren, die regional unterschiedlich verteilt miteinander konkurrieren. Langfristig ist davon auszugehen, dass das Angebotsspektrum sich wieder auf einzelne Technologien verdichten wird – die Elektromobilität ist dabei ein mögliches Szenario.

Für die Hersteller bedeutet diese Entwicklung vor allem eines: Sie müssen parallel eine hochgradig anspruchsvolle Bandbreite an unterschiedlichen Antriebstechnologien vorhalten und deren Weiterentwicklung managen – vom konventionellen Verbrennungsmotor über Hybride Antriebsformen (Hybrid-Elektro/HEV und Plug-in-Hybrid/PHEV) bis hin zu reinen Elektroantrieben, Elektrofahrzeugen mit Range Extendern und Brennstoffzellen-Fahrzeugen.

 

Abbildung 3:
Treiber und Entwicklungspfad alternativer Antriebstechnologien

Ergänzend sind zu dieser Antriebsvielfalt noch die Möglichkeiten zu berücksichtigen, die sich aus der Nutzung alternativer Kraftstoffe bei konventionellen Antrieben ergeben. Gasmotoren sind im Hinblick auf ihr Effizienzpotenzial im Gegensatz zum klassischen Verbrennungsmotor technologisch deutlich weniger ausgereizt. Die künftige Bedeutung von Gasmotoren wird nach unserer Einschätzung unter anderem davon abhängen, wie erfolgreich sich elektrisch hybride Antriebe am Markt durchsetzen lassen.

 

Zusätzliche Anforderungen durch Bevölkerungskonzentration in Großstädten

Mehr als die Hälfte aller Menschen auf der Welt lebt mittlerweile in Städten. Laut einer Vorhersage von UN-Habitat werden im Jahre 2030 schon fast zwei Drittel aller Menschen in Städten wohnen. Der seit Jahren zu beobachtende Trend zur Verstädterung wird noch eine lange Zeit anhalten. Seinen augenfälligsten Ausdruck findet die fortschreitende Urbanisierung in der Ausbreitung von Megastädten auf allen Kontinenten der Erde, insbesondere aber in den Schwellen- und Entwicklungsländern. Weltweit gibt es bereits mehr als 20 Städte mit mindestens zehn Millionen Einwohnern. Von den weltweit 30 größten Megastädten liegen allein 20 im asiatischen Raum sowie in Lateinamerika.

Insbesondere in den Entwicklungsländern kommt es in Folge von Landflucht und unkontrolliertem dynamischem Wachstum zu den typischen unerwünschten Begleiterscheinungen solcher Ballungsräume: extreme Umweltverschmutzungen und ein kaum noch zu durchdringendes Chaos auf den Straßen. Untersuchungen haben ergeben, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit von Autos in diesen Megastädten bei gerade mal 10 Kilometern pro Stunde liegt. An Fahrzeuge und Antriebe werden vor diesem Hintergrund gänzlich andere Anforderungen gestellt, als wir dies von den klassischen Automobilmärkten gewohnt sind: Klein sollen die Fahrzeuge sein, wendig, möglichst lokal emissionsfrei und zudem Funktionalitäten bieten, die es dem Fahrer erlauben, seine „unproduktiven Fahrzeiten“ sinnvoll zu nutzen.

Für die Automobilindustrie resultiert daraus die Chance, mit angepassten, innovativen Fahrzeugkonzepten künftig bedeutende Kundengruppen zu erschließen. Den langfristigen Stellenwert von Mega-City-Fahrzeugen macht folgende Prognose deutlich: Die weltweite Fahrzeugproduktion soll sich bis 2060 im Vergleich zu heute noch einmal verdoppeln – obwohl die klassischen Absatzmärkte weitgehend gesättigt sind. Die angepeilten Zuwachsraten werden sich daher im Wesentlichen auf Schwellen- und Entwicklungsländer – und dort die aufstrebenden Ballungszentren – konzentrieren.

Wie anspruchsvoll trotzdem die Herausforderung ist, die spezielle Klientel in Schwellenländern erfolgreich zu bedienen, zeigen erste „Low Cost“-Fahrzeugkonzepte, die in den vergangenen Jahren unter hohen Erwartungen auf den Markt gebracht wurden, aber keine wirtschaftlichen Erfolge verbuchen konnten. Warum sind diese Vorstöße bisher gefloppt? Ist der Markt möglicherweise noch nicht reif für ein solches Fahrzeug? Oder trifft das Fahrzeugkonzept die Kundenanforderungen doch nicht in ausreichendem Maß?

Nach unserer Auffassung dürfte beides eine Rolle spielen. Ein explizites „Low-Cost-Image“ ist allerdings kaum vereinbar mit dem Selbstverständnis derjenigen, die es gesellschaftlich geschafft haben, sich ihren ersten eigenen Neuwagen leisten zu können. Natürlich muss ein solches Fahrzeug preiswert sein, ihm darf aber nicht das Image eines „Billigheimers“ anhaften. Für die meisten „Aufsteiger“ in den Schwellenländern ist das eigene Auto noch ein echtes Lebensziel und ein überaus begehrtes Prestige-Objekt, das neben einer günstigen Anschaffung attraktiv genug sein muss, um von den Kunden als begehrenswertes Status- und Wohlstandssymbol anerkannt und geschätzt zu werden. Hier wird der enge Zusammenhang zum dritten Megatrend „Mobilitätsgerechtigkeit“ sichtbar. Unabhängig von der Bevölkerungskonzentration in den großen Metropolen nimmt die Nachfrage nach individueller Mobilität in Schwellenländern und weniger entwickelten Regionen der Welt wie auch die Forderung nach weltweiter Mobilitätsgerechtigkeit stetig zu.

Dabei wird es für die Hersteller aus den etablierten Märkten weniger darum gehen, „Low-Cost-Derivate“ abzuleiten, als vielmehr durch innovative Designkonzepte und Produktionsverfahren Fahrzeuge mit attraktiven Kosten-Nutzen-Relationen für die jeweiligen Märkte zu entwickeln.

Generell wird es darum gehen, hochgradig ausgefeilte Fertigungstechnologien zu entwickeln, die es den Unternehmen ermöglichen, wesentlich flexibler und dennoch kostengünstiger zu produzieren, als dies heute möglich ist. Von neuen Fahrzeug- und Antriebskonzepten muss erwartet werden können, dass sie sich im globalen Kontext auf unterschiedlichste regionale und ökonomische Besonderheiten zuschneiden lassen.

 

Vielfältige Folgewirkungen

Die Tendenzen sind klar erkennbar – genauso wie die Folgewirkungen, die die Mehrheit der Unternehmen vor bedeutende Herausforderungen stellen wird:

  • Den skizzierten Megatrends sind nahezu alle Unternehmen der Automotive-Industrie unterworfen. Die Parallelität und der Zeitdruck, mit der die Entwicklungen voranschreiten, erzeugen in der Branche, vor allem in den Innovations- und Entwicklungsprozessen einen ungeheuren Druck. Einen wesentlichen Treiber für die zunehmende technologische Komplexität bilden neue Antriebstechnologien – überlagert mit der wachsenden Bandbreite an Varianten, die es künftig zu berücksichtigen gilt. Eine aktuelle „Standortbestimmung“ zu diesem Themenfeld haben wir im Artikel „Vorherrschaft des Verbrennungsmotors bleibt auf Jahre unangetastet“ vorgenommen.
  • Als unmittelbare Folge der technologischen Diversifizierung und der immer neuen Varianten für spezielle Kundengruppen und Märkte nimmt der Anspannungsgrad derart zu, dass auch ein großer OEM vermehrt nach Partnerschaften sucht, um diesem zu begegnen. Für diverse Themenfelder wird er in zunehmendem Maße externes Know-how benötigen. Geeignete Lieferanten sollten dabei so frühzeitig eingebunden werden, dass sie nach Möglichkeit von Anfang an in den Entwicklungsprozess mit eingebunden sind. Die bisher dominierende pyramidale Branchenstruktur wird als Folge dieser Entwicklung mehr und mehr um eine netzartige Struktur ergänzt werden, bei der auch spezialisierte Unternehmen direkt bilateral mit OEMs zusammenarbeiten. Voraussetzung ist, dass sie auf ihrem Spezialgebiet über ein außergewöhnliches Innovationspotenzial verfügen und es verstehen, dies auch zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle zu platzieren. Detaillierte Informationen zu diesem Aspekt liefert der Beitrag „Das Kreativ-Potenzial innovativer Lieferanten besser nutzen“.
  • Weit mehr als die Hälfte aller aktuellen Neuerungen am Fahrzeug sind Software- und Elektronik-Innovationen. Immer wieder zeigt uns die Praxis, dass Kundenanforderungen, die heute in einem Fahrzeug- oder Antriebskonzept berücksichtigt werden sollen, morgen schon nicht mehr relevant sind. Um Verschwendung dieser Art zu vermeiden, werden viele Unternehmen ihr Anforderungsmanagement professionalisieren müssen. Schon heute reicht das klassische Vorgehen im Anforderungsmanagement oft nicht mehr aus. Nehmen Umfang und Komplexität der Software- und Elektronik-Innovationen – wie zu erwarten ist – weiter zu, wird es bei vielen Unternehmen ohne eine grundlegende Neuausrichtung im Anforderungsmanagement zu einer Verschlechterung bei den Faktoren Qualität, Kosten und/oder Lieferleistung kommen. Wie man diesem Spannungsfeld entkommen kann, erläutern wir in kompakter Form im Beitrag „Mit dynamischem Anforderungsmanagement die Effizienz im Entwicklungsprozess pushen“.
  • Wachsende Modellvielfalt in Verbindung mit immer neuen Individual- und Nischenfahrzeugen für bestimmte Märkte sowie eine erhebliche Zunahme neuer Antriebs-, Fahrzeugaufbau- und Werkstoffkonzepte führen dazu, dass immer mehr Modelle in kleinen Stückzahlen gefertigt werden. Produktionstechnisch stellt diese Entwicklung die Anbieter vor die Herausforderung, auch Kleinserien mit hoher Wirtschaftlichkeit entwickeln und fertigen zu können. Der Flexibilitätsbedarf in der Automobilherstellung steigt in den kommenden Jahren weiter an. Hersteller wie Lieferanten sind gut beraten, sich mit den gegenwärtigen und zukünftigen Möglichkeiten neuer Produktionstechnologien vertraut zu machen und hinsichtlich Relevanz für die eigene Produk­tionsflexibilisierung zu bewerten. Schichtbauverfahren der neuen Generation (Additive Manufacturing) bieten hier interessante Ansatzpunkte. Detaillierter gehen wir auf diesen Aspekt im Beitrag „Wie Sie die Vorzüge von Schichtbauverfahren für die Kleinserie nutzen“ ein.

Die Komplexität der Herausforderungen, die aus den drei Megatrends und – daraus resultierend – aus der Vielzahl zusätzlicher technologischer Antriebs- und Fahrzeugvarianten in Verbindung mit überlagernden Entwicklungen wie Modelloffensiven entsteht, lässt sich im Rahmen eines Fachartikels natürlich nur in Ansätzen darstellen. Zum Megathema „CO2-Reduzierung“ hat die TMG wegen dessen weitreichender Bedeutung eine eigene Studie2 aufgelegt, in der auf besonders relevante Aspekte der Thematik pointiert eingegangen wird – angefangen von den gesetzlichen Vorgaben als treibende Kräfte dieser Entwicklung, über die Auswirkungen auf Fahrzeugtechnologien und Antriebskonzepte bis hin zu den Konsequenzen verschärfter CO2-Vorgaben für die Innovations- und Entwicklungsprozesse sowie für Produktion und Logistik.

2 - TMG-Studie: „CO2-Emissionen: Neuerfindung des Fahrzeugs und seiner Prozesse“, Januar 2015

Auch wenn die Zukunft nicht exakt vorhersagbar ist: Die Rahmenbedingungen sind bekannt und damit auch Richtung und Sprunghöhe, auf die die Unternehmen sich hinbewegen müssen. Jedes Unternehmen wird im Kontext dieser Rahmenbedingungen seinen eigenen Weg zur Lösung der Herausforderungen finden müssen. Zu den unerlässlichen Maßnahmen zählt aus unserer Sicht, die bestehenden Formen der Zusammenarbeit zwischen OEM und Lieferant zu hinterfragen und anzupassen bzw. zu ergänzen, wo dies erforderlich erscheint. Nach wie vor werden die breit gefächerten Kompetenzen vieler innovativer kleinerer Lieferanten trotz steigender Bedarfe nicht systematisch genutzt. Als erfahrene Management- und Technologie-Berater, die seit Jahren in konkrete Projekte auf diesem Themenfeld eingebunden sind, kennen wir nicht nur beide Seiten – OEM und Lieferanten – sehr gut. Wir wissen auch aus der praktischen Erfahrung, wie sich die vorhandenen Potenziale auf effiziente Art und Weise erschließen lassen – zum Nutzen beider Seiten.

TMG INSIGHTS 08: "Antriebskonzepte der Zukunft"

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