Elektrische Leiterwerkstoffe

im praktischen Einsatz

Elektrischer Strom wird für zwei recht verschiedene Anwendungen genutzt: Zur Übertragung von Nachrichten und zur Übertragung von Energie. In beiden Fällen werden elektrische Leiter notwendig, doch deren Eigenschaften und Erscheinungsbilder unterscheiden sich beträchtlich. Der Umgang damit auch.

Die Klassiker: Kupfer und Aluminium

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 (Tabelle 1). 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) nach den Unterlagen des Deutschen Kupferinstituts 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.

Tabelle 1
Tabelle 1: Spezifische Widerstände metallener Werkstoffe, zum Vergleich einige andere, z. B. in der Debatte um die Erdung, ebenfalls als »leitfähig« angesehene Stoffe wie Wässer und verschiedene Böden

Bitte beachten Sie, dass die spezifischen elektrischen Widerstände der Metalle und des Kohlenstoffs in Tabelle 1 in Mikroohm mal Meter, die der anderen Stoffe jedoch in Ohm mal Meter angegeben sind! Dies ist die mathematisch schon vereinfachte Schreibweise für »Ohm mal Quadratmeter [Leiterquerschnitt] pro Meter [Leiterlänge]«. Man muss sich hierunter also den elektrischen Widerstand eines Würfels von 1 m Kantenlänge aus dem jeweiligen Stoff vorstellen, der an zwei gegenüber gelegenen Seiten großflächig kontaktiert ist und von einem homogenen Strom durchflossen wird. Das bedeutet, dass bei metallenen Werkstoffen eine Spannung in der Größenordnung von 1 Millivolt genügt, um einen Strom von 1 Kiloampere durch den Würfel zu treiben! Bei den anderen Stoffen hingegen reicht zum Teil selbst 1 Kilovolt nur für einen Strom von einigen Milliampere!

Logischerweise wendet man daher auf den spezifischen Widerstand der Leiterwerkstoffe eher die Einheit »Ohm mal Quadratmillimeter pro Meter« an. Dann kann man zwar nicht mehr einen Meter heraus kürzen und hat mehr zu schreiben, doch fällt es leichter, sich ein Stück Draht von 1 m Länge und einem Querschnitt von 1 mm² als etwas praxisnähere Referenz vorzustellen.

Aluminium ist ein Leichtmetall mit nur etwa 35% der Dichte des Schwermetalls Kupfer, und darüber hinaus liegt der stets nach Gewicht – besser gesagt Masse – bemessene (Tages-)Preis auch noch geringfügig, zeitweise erheblich, unter dem für Kupfer. Zur Zeit kostet das Kilogramm Kupfer fast 4 Mal so viel wie ein Kilogramm Aluminium. Entscheidend für die Bedarfsmenge ist jedoch der Leiterquerschnitt und damit das eingesetzte Volumen, nicht Masse bzw. Gewicht eines Leiters. Muss man zur Zeit etwa 3 bis 5 Euro für einen Liter Aluminium bezahlen, so können es für einen Liter Kupfer leicht 30 bis 50 Euro werden. Obwohl zwei Liter Kupfer auf Grund der besseren Leitfähigkeit etwa drei Liter Aluminium ersetzen können, bleibt in der derzeitigen Marktsituation immer noch ein Mehrpreis vom etwa Sechsfachen für den Leiterwerkstoff eines entsprechenden Kupferleiters zu bezahlen. Warum kommt dann – zumindest in Westeuropa – außer für gegossene Läuferkäfige von Asynchron-Drehfeldmotoren nahezu kein Aluminium in elektrischen Maschinen zum Einsatz?

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Elektrische Maschinen

Bild 1
Bild 1: Erstmals auf der Hannover Messe 2003 der Öffentlichkeit vorgestellt: Aus Kupfer gegossene Kurzschlussläufer

Um eine technisch, vor allem vom Wirkungsgrad her, äquivalente Maschine mit Aluminium zu wickeln, müssen die Stromdichten gegenüber Kupfer auf etwa 2/3 gesenkt, also die Leiterquerschnitte entsprechend um den Faktor 3/2 verstärkt werden. Dadurch müssen die Blechpakete und alle mechanischen Bauteile vergrößert werden. Dynamoblech stellt jedoch auf den Weltmärkten ein ähnlich hochpreisiges Investitionsgut dar. Etwa knapp die Hälfte des Preises von Kupfer muss man ansetzen. Die Kosten-Ersparnis beim Leiterwerkstoff wird hierdurch wieder aufgezehrt. Daher gibt es seit einigen Jahren Bestrebungen, auch den Läuferkäfig aus Kupfer gießen zu können. Inzwischen sind solche Rotoren kommerziell verfügbar und in begrenztem Umfang auch schon im praktischen Einsatz (Bild 1). Das Problem war dabei die mit 1083°C wesentlich höhere Schmelztemperatur des Kupfers gegenüber komfortablen 660°C bei Aluminium und der dadurch bedingte Verschleiß der Gussform. Zum Glück konnten diese Probleme mittlerweile gelöst werden, und eine Gussform mit wirtschaftlich verwertbarer Lebensdauer steht heute zur Verfügung.

Zur Verfügung stehen inzwischen auch mindestens zwei Plattformen, die sich mit diesem Thema befassen.

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Kabel und Leitungen

Bild 2
Bild 2: Bei Hochspannungskabeln dominiert beim Gesamt-Querschnitt bzw. Volumen der Isolierstoff den Leiterwerkstoff

Bei Kabeln und Leitungen spielt das Argument des Platzbedarfs jedoch in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle. Der Löwenanteil der Querschnittsfläche einer Niederspannungs-Mantelleitung im Bereich bis etwa 10 mm² je Leiter (Bild 5) oder eines Hochspannungskabels (Bild 2) 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 (Bild 3) bieten über ihre absolute Brandsicherheit hinaus einen erheblichen Platz-Vorteil (Bild 4) 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.

Bild 3
Bild 3: Mineral isolierte Leitungen im Querschnitt

Und zur Gebäude-Installation wird in den meisten europäischen Ländern vorwiegend oder ausschließlich Kupfer verwendet. Warum lassen die meisten europäischen Normen Aluminium im Bereich bis 16 mm², teilweise bis 10 mm², überhaupt nicht zu?
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.
Bild 4
Bild 4: Aufbau »brandsicherer« Kunststoffleitung und Mineral isolierter Leitung

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.

Bild 5
Bild 5: Auch bei Installations- und Anschlussleitungen kleiner Querschnitte nimmt der Leiterwerkstoff den kleineren Teil am Gesamt-Querschnitt ein

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 (Bild 6). 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.

Bild 6
Bild 6: Nur bei Niederspannungs-Hochstromkabeln dominiert der Leiterwerkstoff den Gesamt-Querschnitt

Dabei lebt der nackte 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.

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Kompetenz-Gerangel? Nein danke

Die sonstigen technologisch wichtigen Eigenschaften – neben der elektrischen Leitfähigkeit – von Kupfer und Aluminium unterscheiden sich jedoch so sehr, schon allein wenn man z. B. an die Dichte denkt, dass sich die jeweiligen Anwendungsgebiete seit alters her recht deutlich abgrenzen lassen (Bild 8). Viel Neues tut sich hier auch nicht. Als einzige Neuerung der letzten Zeit sind wohl die gegossenen Kupferrotoren anzusehen (Bild 1). Echte Alternativen tun sich daher traditionell in lediglich drei, jetzt in vier Bereichen der Elektrotechnik auf, in denen beide Werkstoffe zum Einsatz kommen:

Bild 7
Bild 7: Kompromiss aus den technologischen Eigenschaften des Kupfers und dem Preis des Aluminiums: Beim Elektrizitätswerk Dietlikon nun eingesetztes Erdkabel
  • Nieder- und Mittelspannungskabel: Im Einzelfall muss hier entschieden werden, ob ein größerer Kabelquerschnitt oder ein höheres Kabelgewicht das kleinere Übel ist. Außerdem ist das Aluminiumkabel 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 (Bild 7). 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.
Bild 8
Bild 8: Kupfer und Aluminium im praktischen Einsatz: Wenig Überschneidung
  • Transformatoren: Hier ist das Problem des Wickelraums nicht so scharf wie bei Motoren, weswegen der Einsatz von Aluminium immerhin in Frage kommt. Schließlich muss der Haupt-Streukanal, der Freiraum zwischen Ober- und Unterspannungswicklung, aus drei Gründen ein gewisses Mindestmaß ohnehin aufweisen: Isolation, Kurzschlussstrom-Begrenzung und Kühlung. Jedoch wird auch der Transformator mit Aluminiumwicklung größer, sofern die Verluste und alle anderen wichtigen Betriebsdaten wie die Kurzschlussspannung, auf dem gleichen Pegel gehalten werden sollen wie bei einem äquivalenten Typen mit Kupferwicklungen (sonst wäre er nicht äquivalent = gleichwertig!). Das Gesamtgewicht des – wenn auch geringfügig größeren – Transformators mit Aluminiumwicklungen ist aber etwas geringer. Die Unterschiede in den Herstellungskosten heben sich mehr oder weniger auf, und nach Meinung namhafter Hersteller ist die Wahl des Leitermaterials in erster Linie eine Frage der Werksphilosophie.
Bild 9
Bild 9: Es gibt Kupfer-Stromschienen, Aluminium-Stromschienen…
  • 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; unter Berücksichtigung aller Kosten auch im Betrieb kann Aluminium vom Kupfer meist noch etwas lernen (spanisch alumno = Schüler, Student). 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 (Bild 9, Bild 10).
Bild 10
Bild 10:… und Kupfer-Stromschienen aus Aluminium
  • Neu hinzugekommen sind die Kupferrotoren (Bild 1): Hier spielt die auf gleichen Raum bezogen wesentlich größere Leitfähigkeit des Kupfers die entscheidende Rolle. Dies war es wert, alle technologischen Probleme in Angriff zu nehmen.
  • Unbestreitbare Domäne des Aluminiums ist die Hochspannungs-Freileitung, wo der Raumbedarf kein Kriterium darstellt, umso mehr aber das Gewicht. Die geringere Festigkeit des Aluminiums bedingt zwar, dass die Leiterseile durch einen Stahlkern verstärkt werden müssen, doch dies ändert nichts daran, dass sich diese kostengünstig herstellen und die Werkstoffe sich bei der Verschrottung durch magnetische Abscheidung leicht wieder trennen lassen.

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Andere Leiterwerkstoffe – Alternativen oder Sonderfälle?

Die so genannten Halbleiter wie Germanium und Silizium, im periodischen System der Elemente zwischen den Metallen und den Nichtmetallen angeordnet, die die Elektronik in ihrer heutigen Form erst ermöglichen, geben ein Thema für sich ab, das hier nicht behandelt werden kann.

Aber haben denn darüber hinaus die Metalle Kupfer und Aluminium die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit für sich gepachtet, oder gibt es auch noch andere Stoffe, die sich hiermit nützlich machen können?

Elektrischer Leiter im Nebenberuf: Stahl & Co.

Mitunter treten auch »Soda-Leiter« auf, also metallene Komponenten von Geräten, Konstruktionen und Systemen, die, da sie nun einmal vorhanden sind, gleich auch noch ihre ohnehin gegebene elektrische Leitfähigkeit  einer zweckdienlichen Sache zur Verfügung stellen. Zwei klassische Beispiele seien hier genannt:

Fundamenterder

Hierunter versteht man die gleichzeitige Ausnutzung der ohnehin vorhandenen Armierung in Stahlbetonbauten als Potenzialausgleich und Erdung. Dies setzt allerdings voraus, dass diese Armierung entsprechend aufgebaut wird, also alle Kreuzungs- und Verbindungsstellen so ausgeführt werden, dass sie sicher und dauerhaft elektrisch miteinander in Kontakt stehen. »Geerdet« ist das Fundament allein dadurch schon, dass es in der Erde steckt. Wird es jedoch, wie heute üblich, zum Erdreich hin gegen Wärmeverlust und das Eindringen von Feuchtigkeit isoliert, so ist es auch elektrisch gegen Erde isoliert. Dann bedarf es eines zusätzlichen Tiefen- oder Ringerders außerhalb des Fundaments – und weil man gerade dabei ist, wird dieser dann meist auch aus Stahl hergestellt. Das aber ist gar keine gute Idee, da diese Erder – verzinkt oder nicht – nach einigen Jahren weggerostet sind. Es verbleibt nur noch ein putativer Blitzschutz für das Gebäude, was erst bemerkt wird, wenn es zu spät ist. Alle Fachleute empfehlen, einen dauerhaften Erder aus Edelstahl »V4A« (auch »V2A«-Stähle sind nicht hinreichend korrosionsbeständig) oder Kupfer zu errichten. Allerdings ist Edelstahl noch kostspieliger als Kupfer und schwieriger zu verarbeiten (»stahlhart«). Außerdem beträgt seine Leitfähigkeit nur rund 1/50 derer von Kupfer, und so kann es vorkommen, dass teilweise größere Querschnitte verwendet werden müssen, auch wenn der Leiterquerschnitt bei diesen Anwendungen im Allgemeinen nicht die kritische Größe ist.

Bahnschienen

Die wohl klassischste aller derartiger Anwendungen findet man im elektrischen Betrieb aller Arten von Bahnen: Elektromobilität mag auf der Straße der letzte Schrei sein oder werden sollen; auf Schienen ist sie fast so alt wie die Eisenbahn – und dieser Unterschied beruht einzig und allein darauf, dass die Eisenbahn ihrem Namen entsprechend auf einer Bahn aus Eisen fährt, die gleichzeitig als Rückleiter für den Fahrstrom dienen kann. Dummerweise braucht der elektrische Strom immer einen Rückweg, sonst fließt er nirgendwo hin. Einen Draht über eine irgendwie geartete Fahrbahn zu hängen ist keine Kunst; mit zwei Drähten fangen die Probleme an – spätestens an der nächsten Weggabelung.

Klar, einfacher oder auch hochfester Stahl ist kein Leiterwerkstoff. Nur etwa 1/7 der Leitfähigkeit von Kupfer kann erwartet werden, doch der vorhandene Querschnitt ist um ein Vielfaches größer als der des für den Hinweg erforderlichen Kupferdrahtes, und so reicht er allemal hin.

Bild 12
Bild 12: Warum nur ist das eine Schienenstück mit dem anderen Schienenstück durch ein Stromkabel verbunden? – Weil eine Eisenbahnschiene nicht nur den Zug sicher ans Ziel, sondern auch den »verbrauchten« Strom sicher zum Erzeuger zurück führt
Bild 13
Bild 13: Schienenstahl ist kein elektrischer Leiterwerkstoff, aber der große Querschnitt gleicht die schlechte Leitfähigkeit aus

Für Spezialzwecke: Kohlenstoff

Bild 14
Bild 14: Alternativ zu Kohlebürsten lässt sich so genannter »Kupfergrafit« einsetzen

Einmal kennen wir die Kohle-Elektroden in Schmelzöfen, früher auch in Lichtbogenlampen, und auch Glühlampen wurden anfänglich nicht mit Wendeln aus Wolfram, sondern mit Glühfäden aus Kohlenstoff gefertigt. Verwendet werden heute noch die Kohlebürsten zum Kontaktieren der Kollektorlamellen in Gleichstrommaschinen. Bürsten heißen sie nur, weil ihre Vorläufer aus Kupfergeflecht bestanden und daher so aussahen. Kohle hat aber die besseren Gleiteigenschaften. Wo ihre hinter die der Metalle deutlich zurückfallende Leitfähigkeit nicht ausreicht, stehen als Kompromiss Kohle-Kupfer-Verbundwerkstoffe zur Verfügung (Bild 14). Es handelt sich hierbei nicht um Legierungen, und der durch das Legieren bedingte Verlust an Leitfähigkeit wird so vermieden. Vielmehr wird etwas in der Mitte zwischen den Leitfähigkeiten der beiden Werkstoffe erreicht.

Wichtig für die Elektrochemie: Flüssige Leiter

Dann gibt es Elektrolyte, bestehend aus Wasser und einem Inhaltsstoff, der sich darin löst und dabei dissoziiert, also Ionen bildet. Dieser Vorgang liegt dem Funktionieren der Elektrolyse, der Batterien und Akkumulatoren zu Grunde und verleiht auch dem Erdreich seine – wenn auch vergleichsweise sehr mäßige – Leitfähigkeit, die zudem stark vom Wetter abhängt. Bekanntlich werden Erdungswiderstände im Zweifelsfall immer nach heftigen Regenfällen gemessen, um auf einem – wiederum geduldigen – Stück Papier irgendeinen mehr oder weniger willkürlich festgelegten Grenzwert erfüllen zu können. Beachten Sie jedoch, dass die Werte der spezifischen Widerstände in Tabelle 1 links alle mit dem Faktor 10-6 versehen sind. Zwischen den spezifischen Widerstandswerten der Metalle und dessen, was sich gemeinhin Erde nennt, liegen also zwischen 6 und 12 Zehnerpotenzen!

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Elektrisch leitende Kunststoffe – der neue Kabelwerkstoff oder was?

Elektrisch leitende Kunststoffe im engeren Sinne des Wortes (»intrinsisch leitfähige«), bei denen der Kunststoff selbst leitet, gibt es kaum. Meist handelt es sich um Kunststoffe, die durch Beigaben von Füllstoffen (Edelstahlflocken, Stahlfasern, mit Silber beschichtete Glaskügelchen, Grafit, Ruß) leitfähig gemacht werden. Der Anteil an solchen Zusätzen wird meist auf wenige Volumenprozent beschränkt, um vorwiegend die Eigenschaften des Kunststoffes nutzen zu können, doch bedeutet dies, dass die Leitfähigkeiten um mindestens 4 Zehnerpotenzen niedriger liegen als bei metallenen Leiterwerkstoffen, bei einigen Materialien auch um 14 Potenzen. Für die meisten Anwendungen genügt das oder soll sogar so sein, denn diese Anwendungen beschränken sich auf Ableitung bzw. Vermeidung statischer Aufladung und Abschirmung hochfrequenter elektrischer bzw. elektromagnetischer Felder und Wellen. An Energie- oder Nachrichtenleitungen denkt beim Einsatz elektrisch leitender Kunststoffen (fast) kein Mensch, auch wenn ein Referent in einem entsprechenden Seminar ein Demonstrationsmodell mitgebracht hatte, bei dem eine Taschenlampenbirne (schätzungsweise 50 mA) über einen elektrisch leitenden Kunststoffstab (schätzungsweise 10 mm² Querschnitt) gespeist wurde. Die Stromdichte liegt damit aber immer noch um 3 Größenordnungen unter den für Kupfer und Aluminium üblichen Werten. Soll hiermit überhaupt irgendwo Metall ersetzt werden, so beschränkt sich dies zum Einen auf einige wenige hauchdünne Folien oder auf durch Aufdampfen aufgebrachte Schichten zur Abschirmung elektrischer Felder, und zum Anderen hat sich dieser Wandel schon lange vollzogen. Wenn die Kunststoff-Gehäuse gewisser Geräte, die gegen Abstrahlen oder gegen die Einwirkung von Strahlung geschirmt werden müssen, selbst schon (etwas) leitfähig sind, so kann diese Beschichtung entfallen. Berechtigt ist allerdings die Frage, warum man erst vom für diese Zwecke zweifelsfrei überlegenen Metall-Gehäuse zum Kunststoff übergegangen ist, wenn man diesen dann mit zum Teil metallenen Zusätzen künstlich leitend machen muss. Die Antwort liegt wohl in der Spritzbarkeit der Kunststoffe und den äußeren Gestaltungs-Möglichkeiten der Gehäuse. Vielleicht bieten die Metalle hier aber noch Aufhol-Potenzial.

Intrinsisch leitende Kunststoffe, die also selbst leitend sind, wurden vor etwa 25 Jahren erfunden, einer sogar mit einer Leitfähigkeit, die an die metallener Leiterwerkstoffe heran reicht. Diese Stoffe sind jedoch allesamt weder schmelz- noch knetbar und unlöslich und daher unmöglich zu verarbeiten. Außerdem sind sie empfindlich gegen Sauerstoff und verlieren an der Luft recht bald ihre zudem richtungsabhängige und mit dem Fertigungs-Prozess auch noch stark variierende Leitfähigkeit. Solche Eigenschaften sind für die Anwendung als Leiterwerkstoffe undiskutabel, solange sie mit den in diesen Punkten sehr »gutwilligen« Metallen konkurrieren müssen. In einigen Fällen ist es gelungen, diese Eigenschaften etwas günstiger zu gestalten, doch liegen die Leitwerte dann gleich wieder einige Größenordnungen niedriger. Der Anwendungs-Bereich beschränkt sich somit wie oben bei den durch Partikel-Beimengungen leitfähig gemachten Kunststoffen auf die Vermeidung statischer Aufladungen, z. B. der Stoff Polyethylendioxythiophen (PEDT) zur Beschichtung von Filmen. Ohne diese Beschichtung würden sich die Filme während der Entwicklung statisch aufladen, und die bei der Entladung entstehenden Blitze würden den Film erneut belichten. Die Fotos sähen alle aus wie bei Gewitter aufgenommen. Ein Beispiel wurde in dem genannten Seminar vorgeführt.

Erwähnt werden sollte an dieser Stelle noch, dass elektrisch leitende Kunststoffe schon lange in der elektrischen Energietechnik verwendet werden, und zwar in Hochspannungskabeln als hier so genannte »halbleitende Schichten« ein Mal um den Leiter herum und ein weiteres Mal zwischen der inneren Isolierung und dem äußeren Mantel zur »Feldstärke-Steuerung«. Damit wird das elektrische Feld möglichst homogen gehalten und somit lokale Feldstärke-Überhöhungen vermieden, die zu Glimm-Entladungen und dadurch zur langsamen Zerstörung der Isolation führen würden.

Nur ein Visionär des Kabelwerks Brugg veröffentlichte – immerhin in einem Informationsblatt der IEC – ein Szenario der »Energienetze 2050«, das aus Kabeln aufgebaut sein werde, so hieß es, die ausschließlich aus Kunststoffen bestünden und sich daher in einem einzigen Extrusionsprozess herstellen ließen. Die außerordentlich hohe Isolierfähigkeit des Isolierstoffs um 100 kV/mm ermögliche außerdem die Anwendung von Hochspannung im Wohnbereich. Den Real-Elektriker packt das Grausen. Die hohe Kapazität solcher Kabel helfe bei der Milderung von EMV-Problemen, was fraglos richtig wäre, doch hat man wohl die Rechnung ohne die Abschalt-Bedingungen und ohne so manchen anderen Faktor gemacht. Der Internet-Auftritt des Unternehmens lässt denn auch solche Höhenflüge weg, und eine Nachfrage ergibt: Niemand weiß etwas davon, und der genannte Mitarbeiter ist schon lange nicht mehr im Unternehmen tätig.

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Supraleiter

Bild 15
Bild 15: Aufbau eines Supraleiters: Ohne Kupfer läuft da auch nichts

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. Lange haben diese speziellen, schwer vermittelbaren Anwendungen hinter den Kulissen, der breiten Öffentlichkeit weit gehend verborgen, ihre segensreichen Wirkungen entfaltet, bis der Industrieverband Supraleitung gegründet wurde, der sich um die öffentliche Anerkennung dieser Leistungen bemüht. 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.

Mit Skepsis hingegen sind die zahlreichen Meldungen aus jüngster Zeit zum Energiespar-Potenzial der Supraleiter zu bewerten. Die hier angeführten Netzbetriebsmittel wie Höchstspannungs-Erdkabel und Großtransformatoren verfügen bereits 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.

Berechnungen haben ergeben, dass für ein Höchstspannungs-Erdkabel ab einer Übertragungsleistung von 5 GW eine positive Energiebilanz übrig bliebe. Das entspräche der Gesamtleistung aller 4 Blöcke des Kernkraftwerks Biblis. Eine solche Leitung existiert jedoch nicht, weil die Menschheit dieser ungefähr so dringend bedarf wie eines Bierkrugs, der 4 Fässer Bier fasst – und auch im Zeichen der Energiewende wird sich daran kaum etwas ändern. Vielmehr verlangt diese nach feiner verteilten Netzen. Die Modellrechnung ist also rein akademischer Natur und ohne praktischen Nährwert.

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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Noch einmal Kohlenstoff: »Nanotubes«

Etwa seit dem Jahr 2000 liest man in der überregionalen Presse gelegentlich von etwas, das sich »Nanotubes« nennt. Ein deutscher Ausdruck ist bisher nicht bekannt, doch machen diese Röhrchen ihrem Namen schon alle Ehre. Es handelt sich hierbei um Röhrchen aus aufgerolltem Grafit mit Durchmessern um 1 nm. Diese hätten dem Vernehmen nach allerhand vorteilhafte Eigenschaften, unter anderen eine »hohe elektrische Leitfähigkeit«, aber was heißt das schon? Der niedrigste Wert des spezifischen Widerstands, den bisher ein Wissenschaftler gefunden hat, ist mit 0,34 Ω*mm²/m immer noch genau 20 Mal so hoch wie der für Kupfer.

Gleichzeitig aber wollen die Physiker eine immens hohe Strom-Belastbarkeit dieser Röhrchen gemessen haben, die 1011 A/mm² erreichen kann. Wie ist das möglich? Nur weil die Röhrchen so klein sind, größenordnungsmäßig im Durchmesser 6 Zehnerpotenzen kleiner als die Drähte einer Installationsleitung, also im Querschnitt 12 Zehnerpotenzen. Somit haben sie, auf den Querschnitt bezogen, 106 Mal so viel Oberfläche zur Ableitung der Wärme zur Verfügung wie der Kupferdraht, entsprechend den Verhältnissen z. B. bei kleinen und großen Transformatoren. Bündelt man aber entsprechend viele Nanotubes, bis man auf einen Querschnitt von 1 mm² kommt, so hat das Bündel nach außen hin zur Wärme-Abgabe auch nicht viel mehr Oberfläche zur Verfügung als ein gleichwertiger Draht. Rechnen Sie nach: Ein Würfel von 1 m Kantenlänge hat einen Widerstand von 0,34*10-6 Ω. Ein »Nanodraht« von 1 m Länge und 1 mm² Querschnitt, gäbe es ihn, hätte dann also 0,34 Ω. Bei der genannten Stromdichte von 1011 A/mm² macht das 1011 A. Die in einem Meter »Nanodraht« entstehende Verlustleistung wäre also:

Fraglos wären die Nanoröhrchen dabei nach einer Nanosekunde verbrannt.

Wenn man dann genauer hinsieht, stellt man fest, dass für die Physiker das Problem der Wärme-Ableitung gar nicht existiert. Was hat ein solch profanes Problem auch mit Physik zu tun? Vielmehr ist die Elektro-Migration die Grenze, und in der Tat, wenn dies das Kriterium ist, dann hat Kupfer nur 1/1000 der Leistungsfähigkeit eines Nano-Röhrchens und ist »nur« bis etwa 40 kA/mm² belastbar. Ja, das ist natürlich sehr mager. Und um die dabei erforderliche Kühlung kümmern wir uns später mal, wenn wir wissen, woher all die elektrische Energie nehmen und nicht stehlen.

Nun stellt sich allerdings die Frage in dieser Form bislang nicht, denn zum Einen ist von einer Anwendung als elektrische Leiter gar nicht die Rede – von was denn dann, wird in den entsprechenden Quellen auch nicht ganz klar – und zum Anderen ist das längste bisher erschaffene Röhrchen nur 1 mm lang. Das nimmt sich absolut bescheiden aus, doch umgerechnet entspricht es bei einem Draht von 1 mm Durchmesser schon einer Länge von 1 km. Das finden die Physiker aber schon relativ beachtlich, und bekanntlich sehen die alles relativ.