Moderne Fahrzeuge enthalten bereits große Mengen Kupfer, hauptsächlich für die Verkabelung. Im Laufe der Jahrzehnte sind Autos größer und komplexer geworden, wodurch der Bedarf an Kabeln von wenigen Verbindungen auf Tausende gestiegen ist. Der Kabelbaum ist heute ein Labyrinth, das sich kilometerweit durch das gesamte Fahrzeug erstreckt. Und das Gewicht dieser kilometerlangen Kabel summiert sich. Der Kabelbaum gehört zu den schwersten Bauteilen eines Fahrzeugs: Manche wiegen über 60 kg und enthalten durchschnittlich etwa 25 kg Kupfer.
Fahrzeuge werden immer komplexer und benötigen daher immer mehr Verkabelung. Während Tesla und andere an einem vereinfachten, optimierten und effizienteren Fahrzeugnetzwerk arbeiten, prognostiziert IDTechEx, dass der Kabelbaum in den kommenden Jahren weiter wachsen wird. Der zusätzliche Kupferbedarf für diesen wachsenden Kabelbaum ist jedoch im Vergleich zum durch die Elektrifizierung entstehenden neuen Kupferbedarf verschwindend gering.
Der Bau eines elektrischen Antriebsstrangs erfordert zahlreiche kupferintensive Komponenten, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bisher nicht benötigt wurden. Traktionsmotoren, Hochspannungsleitungen, Wechselrichter und Ladegerät benötigen jeweils zwischen 10 und 15 kg Kupfer. Der Motor ist hierbei der entscheidende Faktor; Faktoren wie die Anzahl der Motoren (Einzel- oder Doppelmotor) und die Motorkonstruktion beeinflussen die benötigte Kupfermenge maßgeblich. Im Vergleich zur Batterie ist der Kupferbedarf dieser einzelnen Komponenten jedoch gering. Laut einer Studie von IDTechEx benötigt eine durchschnittliche 64-kWh-Batterie in einem Elektroauto 25,4 kg Kupfer.
Aufgrund seiner elektrischen und chemischen Eigenschaften eignet sich Kupfer ideal für den Einsatz in der Batterie. Jede der Hunderte oder Tausende von Zellen enthält eine Kupferfolie, die die Energie aus der Zelle leitet. Zusätzlich verlaufen große Kupferschienen durch die gesamte Batterie, die die Energie von allen Zellen zu den Hochspannungskabeln und schließlich zur Leistungselektronik und zum Motor transportieren.
Kupfer ist natürlich nicht das einzige Element, das diese Aufgaben erfüllen kann, aber in den meisten Fällen sind seine physikalischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften am sinnvollsten. Aluminium ist ein gängiger Kandidat für den Ersatz von Kupfer. Es kostet etwa ein Drittel des Kupferpreises, ist weniger dicht und daher leichter. Aluminium hat sich in Stromschienen und Leitungen bereits etabliert, und Tesla ist einer der größten Anwender. Allerdings macht dies nur etwa 10–20 % des Kupferanteils der Batterie aus, da der Rest aus den Zellplatten besteht.
Die Kupferfolie wird ausschließlich auf der Kathodenseite verwendet. Aufgrund der Wechselwirkung von Aluminium mit Lithium am Minuspol der Batterie ist ein Einsatz dort nicht möglich. Ebenso würde sich Kupfer auflösen, wenn es als Stromabnehmer an der Anode verwendet würde. Andere Materialien, die Kupfer an der Kathode ersetzen könnten, wie Edelstahl, Kohlenstoff/Graphit und Titan, weisen aufgrund ihrer Kosten, ihres Gewichts und ihrer Leitfähigkeit Nachteile auf, was ihre Verwendung höchst unwahrscheinlich macht.
Da Kupferfolie derzeit die einzig sinnvolle Option als Stromquelle darstellt, stellt sich die Frage, ob sich der steigende Bedarf eindämmen lässt. Der IDTechEx-Bericht „Kupferbedarf für Autos 2024–2034: Trends, Nutzung, Prognosen“ kommt zu dem Schluss, dass es mehrere Mechanismen gibt, die den Kupferbedarf pro Kilowattstunde Batteriekapazität reduzieren. Der erste ist die Verwendung dünnerer Folien. Die Standarddicke für Kupferfolien beträgt derzeit 10 µm, IDTechEx hat jedoch Unternehmen beobachtet, die mit 6 µm und dünneren Folien arbeiten. Der zweite Faktor, der den Kupferbedarf beeinflusst, ist die Batteriechemie.
Die Batteriechemie ist einer der Hauptfaktoren für die Speicherkapazität einer Zelle. Unter der Annahme, dass alle anderen Faktoren wie Materialstärke und Zellform gleich bleiben, benötigen Batterien mit Chemie A, die die doppelte Energie von Chemie B aufweisen, nur halb so viel Kupfer wie Batterien mit Chemie B, um die gleiche Gesamtspeicherkapazität zu erreichen. Dies entspricht weitgehend der Realität der beiden gängigsten Batteriechemien: NMC und LFP. Untersuchungen von IDTechEx ergaben, dass die durchschnittliche Kupferintensität (kg/kWh) einer LFP-Zelle fast doppelt so hoch ist wie die einer NMC-Zelle.
Es gibt zwar auch andere Batterietechnologien, die in der Elektromobilität ihren Platz haben, doch IDTechEx prognostiziert, dass LFP und NMC in den nächsten zehn Jahren den Automobilmarkt dominieren und über 90 % Marktanteil ausmachen werden. LFP dürfte seinen Marktanteil bis dahin dank seiner hohen Energiedichte und des niedrigeren Preises im Vergleich zu NMC weiter ausbauen. Dies wird zu einem entsprechenden Anstieg des Kupferbedarfs für Elektrofahrzeuge führen, da IDTechEx neben der höheren Kupferintensität von LFP auch mit einer Zunahme der durchschnittlichen Batteriegröße pro Fahrzeug rechnet.
Die Elektrifizierung und die Batterietechnologie sind Schlüsselfaktoren für den zukünftigen Kupferbedarf der Automobilindustrie. Der Marktbericht „Kupferbedarf für Pkw 2024–2034: Trends, Nutzung, Prognosen“ berücksichtigt jedoch viele weitere Faktoren, wie beispielsweise Motortopologien, Entwicklungen in der Leistungselektronik und die steigende Nachfrage nach autonomem Fahren. All diese Faktoren haben einen spürbaren Einfluss auf den Gesamt-Kupferbedarf der Automobilindustrie.
Autor: Dr. James Jeffs, Senior Technology Analyst bei IDTechEx
