Elektrische Leiterwerkstoffe

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter; erreicht seine Leitfähigkeit doch immerhin etwa 65% des Wertes von Kupfer. Damit verfehlt das Aluminium aber knapp das Siegertreppchen der Leitfähigkeiten aller Metalle, auf dem Silber die Goldposition einnimmt. Die Silbermedaille geht an Kupfer, während Gold selbst »nur« die Bronzemedaille erhält. Aluminium folgt mit etwas Abstand auf dem vierten Platz. Danach kommt eine Weile nichts. Gold und Silber kommen auf Grund der hohen Preise zum Einsatz in Kabeln, Drähten, Leitungen und elektrischen Maschinen nicht in Betracht, sondern allenfalls als Anschlussdrähte in integrierten Schaltungen, wo sie nur milligrammweise benötigt werden. Alle anderen bekannten Elemente und Verbindungen, sofern überhaupt elektrisch leitend, folgen erst mit einigem Abstand nach. Legierungen (Gemische) verschiedener Metalle haben ganz generell eine erheblich niedrigere Leitfähigkeit als reine Metalle.

Die Auswahl ist begrenzt

Es bleiben also mit Kupfer und Aluminium nur zwei Metalle mit einer wirtschaftlich verwertbaren elektrischen Leitfähigkeit übrig, wobei das Kupfer das Maß aller Dinge abgibt. So wird die Leitfähigkeit von Kupfer für Leitzwecke (Cu-ETP-1, Cu-OF-1 oder Cu-OFE)  mit 58,58 MS/m angegeben. Die IEC-Norm 60028 gab bereits 1925 einen Wert von 58,51 MS/m als Standard vor. Dies entspricht 101% des International Annealed Copper Standard IACS, der schon seit 1913 die Standard-Leitfähigkeit technischen Kupfers auf 58,00 MS/m festlegt und an dem sich auch andere Leiterwerkstoffe messen lassen müssen.

Fachartikel: Elektrische Leiter – Alternativen zu Kupfer?
Kabel und Leitungen
Gebäude-Installation
Hochspannungskabel
Nieder- und Mittelspannungskabel
Stromschienen
Supraleiter

Kabel und Leitungen

Bei Kabeln und Leitungen spielt das Argument des Platzbedarfs in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle. Der Löwenanteil der Querschnittsfläche einer Niederspannungs-Mantelleitung im Bereich bis etwa 10 mm² je Leiter oder eines Hochspannungskabels geht auf das Konto des Isolierstoffs. Der Querschnitts-Aufschlag für Aluminium geht darin mehr oder weniger unter. Zumindest bei herkömmlichen Kunststoffleitungen ist das so. Mineral isolierte Kabel und Leitungen bieten über ihre absolute Brandsicherheit hinaus einen erheblichen Platz-Vorteil gegenüber gewöhnlichen Kunststoffleitungen. Diese Mineral isolierten Kabel und Leitungen wurden zeitweise auch mit einer Hülle aus Aluminium statt Kupfer hergestellt, doch auch das hat sich nicht durchgesetzt.

Broschüre: Kupfer in der Elektrotechnik – Kabel und Leitungen

Gebäude-Installation

Zur Gebäude-Installation wird in den meisten europäischen Ländern vorwiegend oder ausschließlich Kupfer verwendet.

Maßgeblich hierfür sind vor allem drei Gründe:

  • Aluminium ist zwar recht duktil (plastisch verformbar), aber nicht so duktil wie Kupfer. Die Enden in Wänden verlegter steifer Drähte, z. B. in UP-Dosen und an Wandauslässen, brechen nach mehrmaligem hin und her biegen ab. Problematisch wird es, wenn das Drahtende im Inneren der Isolierhülle ganz kurz vor dem Abbrechen steht und in diesem Zustand weiter betrieben wird. Der Fehler bleibt so lange unbemerkt, bis die Leitung einmal mit einem nennenswerten Strom (in der Nähe des Nennstroms) belastet wird, was Jahre dauern kann. Dann schmilzt die Engstelle durch, was wiederum wegen des niedrigeren Schmelzpunktes und der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Aluminium wesentlich leichter vorkommen kann als bei Kupfer, ganz abgesehen von der Neigung zur Bildung solcher Einschnürungen, und es kann ein Lichtbogen stehen bleiben. Dieser kann sogar dazu führen, dass sich das Aluminium entzündet und abbrennt wie eine Zündschnur.
  • Aluminium überzieht sich an der Luft sehr schnell mit einer harten, widerstandsfähigen Oxidschicht, die nicht elektrisch leitet und daher das Kontaktieren erschwert. Es können Übergangswiderstände auftreten, die wiederum mit Brandrisiko enden. Kupfer oxidiert ebenfalls an der Luft, doch behindert diese Oxidschicht die Kontaktierung eigenartigerweise nicht, obwohl auch Kupferoxide (CuO und Cu2O) mit ihren gegenüber dem elementaren Metall um rund 13 Zehnerpotenzen schlechterer Leitfähigkeit kaum als Leiter zu betrachten sind.
  • Aluminium neigt zum Langzeitfließen. Der Werkstoff gibt bei starkem Druck mit der Zeit nach. So können anfangs feste Anschlüsse allmählich locker werden. Dieses Problem lässt sich mit entsprechendem Mehr-Aufwand bei der Verbindungstechnik lösen, und bei Leitungen mit relativ wenigen Verbindungsstellen wie z. B. Hochspannungs-Freileitungen lohnt sich dieser Aufwand, in verzweigten Netzwerken wie z. B. innerhalb von Gebäuden jedoch nicht.

Auf Grund des zweiten geschilderten Problems sollten Aluminium-Leiterenden stets mit stramm angezogenen Schraubkontakten kontaktiert werden, aber gerade diese sind auf Grund des dritten Punktes oft nicht dauerhaft. Abhilfe schaffen im Prinzip Federkontakte, doch werden dadurch dann wieder die Oxidschichten zum Problem. Es kommt in beiden Fällen zu langsam ansteigenden Übergangswiderständen und somit wiederum zu Brandgefahr. Die alten Aluminium-Installationen in Ostdeutschland und den meisten osteuropäischen Ländern genießen zwar »Bestandsschutz«, doch stellt dieser lediglich einen wirksamen Schutz vor etwa drohenden Verbesserungen dar. Um aber die derart »geschützten« Installationen mit neuen Anlagenteilen verbinden zu können, gibt es spezielle Verbinder mit Federkraft-Kontaktdruck und eine spezielle Kontaktpaste aus Fett mit scharfkantigen Metallpartikeln. Die Partikel drücken sich beim Verbinden durch die bereits bestehende Aluminiumoxidschicht, und das Fett schützt vor erneuter Korrosion.

Broschüre: Mehr Kupfer kostet weniger – Energieeffizienz von Kabel und Leitungsanlagen

Hochspannungskabel

Auch in Hochspannungskabeln wird Kupfer als Leiterwerkstoff bevorzugt, denn die dort in Frage kommenden Isolierwerkstoffe sowie die äußere Abschirmung sind teuer, und selbst die nur geringe bei Aluminium erforderlich werdende Vergrößerung des Gesamtquerschnitts des Kabels kompensiert wiederum die Einsparung beim Leiterwerkstoff – anders als bei Niederspannungs-Energiekabeln größerer Querschnitte. Nicht vergessen werden sollte auch, dass die Abschirmung immer aus Kupfer gefertigt wird, weil es anders nicht geht, und wenn für die Leiter Aluminium gewählt wird, muss nach dem – wenn auch langen – Leben eines solchen Kabels beim Verschrotten ein weiterer Arbeitsschritt eingefügt werden, um die Metalle voneinander zu trennen.

Dabei lebt der Werkstoff Kupfer nicht nur lange, sondern praktisch ewig. Er lässt sich ohne Qualitätsverlust beliebig oft wieder aufbereiten. Etwa 45% der heute benötigten Menge wird aus Schrott erzeugt, und die daraus hergestellten Produkte, ob Kabel, Transformatoren, Wasserrohre oder Dachdeckung, werden sehr lange genutzt, im Durchschnitt vielleicht 40 Jahre. Vor 40 Jahren aber war der Bedarf nur etwa halb so hoch wie heute. Also werden rund 90% des damals eingesetzten Materials heute wieder verwendet. Dieser Sachverhalt gilt in ähnlicher Weise auch für Aluminium und andere Metalle. Denn: Metalle werden nicht verbraucht, sondern genutzt.

Nieder- und Mittelspannungskabel

Im Einzelfall muss entschieden werden, ob ein größerer Kabelquerschnitt oder ein höheres Kabelgewicht das kleinere Übel ist. Ein Aluminiumkabel ist zwar in der Regel um einiges billiger. Es bleibt aber zu berücksichtigen, dass das Kupferkabel auch hier aus den genannten Gründen der Duktilität und der Kontaktierbarkeit die größeren Sicherheitsreserven bietet und sich wegen des kleineren Querschnittes wesentlich leichter verlegen lässt, denn die Steifigkeit wächst mit dem Quadrat des Querschnitts, also mit der vierten Potenz zum Durchmesser! Auch sind schon sehr kleine Kupferkabel als mehrdrähtige Leiter erhältlich, Aluminiumkabel aber erst ab 10 mm² Nennquerschnitt, und die Einzeldrähte sind immer noch sehr dick. So genannte »feindrähtige« und »feinstdrähtige« Leiter sind aus technischen Gründen nur aus Kupfer verfügbar.  Dies treibt den zuletzt genannten Unterschied auf die Spitze und hat schon zu bösen und auch teuren Überraschungen geführt, die jedoch nichtsdestoweniger auf dem Papier als Einsparung auftauchten, weil auf diesem, da geduldig, der Mehr-Aufwand beim Verlegen nicht auftauchte, wohl aber der niedrigere Beschaffungspreis des Materials.  Als Kompromiss erschien vor kurzem ein kombiniertes Cu-Al-Kabel, das beim Elektrizitätswerk Dietlikon neuerdings als Erdkabel im Niederspannungs-Verteilnetz eingesetzt wird ). Ein Vertreter von dort stellte dieses Produkt und das dahinter stehende Konzept vor, nachdem er als Gast zur Teilnahme an den Sitzungen des Komitees 712 »Sicherheit von Anlagen der Informationstechnik einschließlich Potentialausgleich und Erdung« der DKE eingeladen worden war, bei der die deutschen Fachleute allmählich knapp zu werden drohen. Das E-Werk Dietlikon ist der erste bekannte Verteilnetz-Betreiber, der – natürlich nur bei Reparaturen, Neubauten und Erweiterungen – das Verteilnetz konsequent auf die 5-Leiter-Netzform TN-S umstellt. Die Außenleiter (Polleiter) haben hier den gleichen Querschnitt wie der Neutralleiter, was einem symmetrischen Aufbau entgegen kommt, doch wurde für die Außenleiter Aluminium und für den Neutralleiter Kupfer gewählt, wodurch der Neutralleiter höher belastbar ist und das Kabel so der heute viel diskutierten Belastung durch Oberschwingungen gerecht wird. Der Schutzleiter ist als Schirm aus Kupfergeflecht ausgeführt, was sehr viel bessere Symmetrie und EMV gewährleistet als ein konventioneller fünfter Leiter.

Stromschienen

Hier verliert das Argument des Raumbedarfs weiter an Gewicht, ist aber andererseits immer noch ein Faktor. Weiterhin kommt bei Stromschienen eine große Menge Leitermaterial zusammen mit nur wenig Isolierstoff auf engstem Raum zum Einsatz. Dies lässt die Unterschiede bei den Materialpreisen deutlicher hervortreten. Zum Dritten treten jedoch auch auf engem Raum viele Verbindungsstellen auf, was die Kontaktierungsprobleme des Aluminiums stärker zum Tragen kommen lässt. In der Summe all dieser Aspekte entsteht wieder eine Pattsituation, die die Frage der Material-Auswahl zu einer solchen der Philosophie macht. Es muss jedoch Acht gegeben werden, nicht wieder Preise mit Kosten zu verwechseln. Bei der Auslegung nach Preis neigt Aluminium dazu, als vorteilhafter aus dem Vergleich hervorzugehen. Außerdem genießt Kupfer offenbar das bessere Ansehen oder das bessere Aussehen, denn es gibt auch Stromschienen aus Aluminium mit Kupferbeschichtung – nicht zur besseren Kontaktierung, denn beim Bohren, Stanzen und Schrauben geht die Beschichtung ohnehin verloren, sondern aus ästhetischen Gründen. Mehr zum Thema Stromschienen finden Sie in der Publikation „Copper for Busbars“.

Supraleiter

Unter Supraleitung versteht man das physikalische Phänomen, dass bestimmte Stoffe bei Unterschreiten einer bestimmten »Sprungtemperatur« plötzlich jeglichen ohmschen Widerstand verlieren und Strom somit im Prinzip verlustfrei zu leiten in der Lage sind. Mit Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung im Jahr 1987 sprangen die Sprungtemperaturen über Nacht vom Bereich um 4 K in den Bereich von 100 K. Das entspricht immerhin dem 25-fachen Abstand zum absoluten Nullpunkt. Man könnte ganz grob vereinfachend sagen, damit habe sich die Anwendung und der Einsatz solcher Leiter um den Faktor 25 vereinfacht. So kann jetzt der sehr viel billiger herzustellende flüssige Stickstoff statt des flüssigen Heliums als Kühlmittel herangezogen werden. Nichtsdestoweniger ist immer noch 100 K = -173°C – und der Aufwand zur Kühlung ist entsprechend. Dieser Aufwand lohnt sich jedoch insbesondere in Anwendungen, die sich einen weiteren Vorteil mancher Supraleiter zu Nutze machen, welche nämlich Stromdichten im Bereich vom 100-Fachen dessen ermöglichen, was metallene Leiterwerkstoffe auf Grund ihrer Erwärmung zulassen. So lassen sich extrem starke Magnetfelder für die Kernforschung und die medizinische Diagnostik erzeugen oder kleinere, leichtere Maschinen für Anwendungen bauen, in denen Volumen oder Gewicht von außerordentlich großer Bedeutung sind.Von einem militärischen Schiffsantrieb sowie von einer 8 MW großen Windkraftanlage war zunächst die Rede. Der supraleitende Kurzschlussstrom-Begrenzer dürfte in Zukunft die Netzbetriebstechnik revolutionieren. Waren bisher die Forderungen nach einer verschwindend kleinen Netz-Impedanz im normalen Betrieb und nach einer hinreichend großen im Kurzschlussfall unvereinbar und mussten durch Kompromisse überbrückt werden, so ist dieser Spagat jetzt im Prinzip möglich, und einzelne Anlagen stehen in der praktischen Erprobung. Eine weitere wichtige Kenngröße des Supraleiters ist nämlich außer der Sprungtemperatur auch die Sättigungs-Stromdichte, bei der die Supraleitung ebenso plötzlich wieder zusammenbricht wie sie gekommen ist. Ein konventioneller metallener Leiter, meist aus Kupfer gefertigt und als Umhüllung des Supraleiters ausgeführt, übernimmt dann für den kurzen Moment bis zur Abschaltung den Strom und begrenzt diesen durch seinen ohmschen Widerstand. Lange hat die Elektrotechnik auf dieses Ei des Kolumbus gewartet.

Inzwischen ist man auch auf die Idee gekommen, dieses Bauteil mit einem supraleitenden Transformator zu kombinieren. Auf diese Weise könnte auch dieser sinnvoll werden, was er, für sich allein betrachtet, nicht ist, da ein Transformator zu wenig Verlustleistung aufweist, um daran mehr einzusparen als die Kühlung verbraucht.

Die hier angeführten Netzbetriebsmittel wie Höchstspannungs-Erdkabel und Großtransformatoren verfügen über Wirkungsgrade deutlich über 99%, ein so genannter Grenzleistungs-Transformator (≈800 MVA) z. B. 99,75% bei voller Last und 99,80% bei halber Last. In Stromnetzen wie denen Deutschlands, Österreichs und der Schweiz gehen vom Kraftwerk bis zur Steckdose nicht mehr als 5% der gesamten Energie verloren – und hiervon der größte Teil in dem stark verzweigten Niederspannungsnetz. So haben Verteil-Transformatoren Wirkungsgrade von »nur« 98,5% bei voller Last und 99,0% bei halber Last. Fallen die Kupferverluste bei halber Last auf ein Viertel, so bleibt der Energie-Aufwand für die Kühlung auf die so genannten »kryogenen« Temperaturen eines Supraleiters stets in voller Höhe bestehen. Ein (relativ großer) Verteiltransformator von z. B. 1 MVA Nennleistung müsste sich also mit 15 kW, bei halber Last mit deutlich weniger als 5 kW, auf 100 K halten lassen, damit überhaupt noch eine Energie-Ersparnis übrig bleibt – und selbst dies würde nur die Kupferverluste einsparen, nicht die in der Lebensdauerkosten-Berechnung wirklich teuren Eisenverluste.

Dabei muss ein »Wirkungsgrad« für Erd- und Seekabel natürlich immer auf die jeweilige Länge bezogen werden, da bei gleichem Strom und gleicher Spannung ein Meter Kabel immer die gleiche Verlustleistung aufweist. Nach neuesten Meldungen ist das neueste Produkt auf diesem Gebiet mit einer Verlustleistung von < 5% behaftet – und das bei einer Übertragungsleistung von 2,6 GW und einer Länge von 1500 km!

Auch von »bis zu 50% Energie-Ersparnis« der genannten Windkraftanlage mit supraleitendem Generator wird berichtet. Abgesehen davon, dass »bis zu« stets eine völlig unbrauchbare Angabe darstellt, weil sie nur einen Extremwert angibt und den entgegen gesetzten Extremwert sowie den Mittelwert unterschlägt, ist natürlich eine Reduktion der Verluste um 50% gemeint, was einer Energie-Einsparung im Bereich um 1% der Erzeugung entspricht. Darüber hinaus ist gerade hier, bei den für Windkraft typischerweise eher wenigen Jahres-Volllaststunden, besonders relevant, dass die Kupferverluste im Quadrat zur Last steigen, die Kühlleistung für den Supraleiter aber ständig in voller Höhe benötigt wird, selbst über den Stillstand in Flauten hinweg, da deren Dauer nicht planbar ist. Ganz nebenbei ließen sich auch mit herkömmlichen Kupferleitern annähernd 90% (Verlust-)Energie einsparen, würde man diese von der üblichen Betriebstemperatur auf kryogene Temperaturen abkühlen. Auf Grund der Abhängigkeit des ohmschen Widerstands von der Temperatur hätte man so praktisch bereits einen »90-%-Supraleiter« geschaffen, doch auch das tut niemand, da es sich nicht lohnt. Letztlich funktioniert auch die Supraleitung nur bei Gleichstrom vollständig, bei Wechselstrom jedoch nur zum Teil, da hierbei immer irgendwo, auch außerhalb des Leiters, Wirbelströme auftreten. Alle Versuche, mittels Supraleitern auf direkte Art durch Vermeidung der ohmschen Verluste Energie einzusparen mögen sich zur Darstellung in der Tagespresse und der Politik eignen, bleiben aber an praktischen Hürden hängen. Vielmehr ermöglicht der Supraleiter Anwendungen, die mit Leitern aus Kupfer oder notfalls auch Silber nicht möglich sind. So ist der Punkt im vorliegenden Fall der Windkraftanlage, dass der Generator sich erheblich kleiner und leichter bauen lässt und somit den Vorstoß in Leistungsklassen ermöglicht, die mit konventionellen Maschinen unerreichbar sind, da es zur Errichtung einer solchen Anlage schlicht und ergreifend an einem entsprechenden Kran mangelt. Dieser Punkt jedoch geht in entsprechenden Pressemeldungen leider ziemlich unter und findet auch auf Fachtagungen nicht die angemessene Darlegung.

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