Energiebesparing versus aankoopprijs.

Op de markt voor inductieve gewikkelde goederen begint zich een trend af te tekenen die tegen de energiebesparingsconcepten van alle grote landen ingaat – wikkelingen van aluminium in plaats van koper. Het grote voordeel, naast het lagere gewicht, is de relatief veel lagere aankoopprijs voor aluminium in vergelijking met koper.

Vooral in tijden van een sterke frank kijken veel fabrikanten van machines en installaties alleen naar de prijs. Energie-efficiëntie mag niet interessant zijn onder prijsdruk, of u bespaart aan de verkeerde kant. In veel industrieën, zoals de privémedia en huishoudelijke apparaten, vecht men voor een hoog rendement en zo laag mogelijke standby-verliezen. In de industriële sector wordt “energiebeheer” echter te vaak weggelaten. Voorbeelden hiervan zijn te kleine bedradingsdoorsneden, goedkope schakelaars/contacten of “goedkope” inductieve wikkelingen zoals transformatoren, smoorspoelen en motoren. Hier is het vaak de moeite waard om de verliezen onder de loep te nemen.

Lagere warmteverliezen verminderen het ontwerp
Dit komt omdat de directe energiebesparingen de hogere initiële prijs vaak binnen 12 tot 24 maanden compenseren. Bovendien zijn indirecte energiebesparingen haalbaar in kamers of schakelkasten als deze geventileerd of geklimatiseerd moeten worden. Dankzij de lagere warmteverliezen zijn extra bouwvolume en kostenbesparingen haalbaar. In principe kunnen de verliezen van “goedkope” inductieve wikkelgoederen vandaag de dag met economisch “normale” middelen worden gehalveerd zonder dat de prijs hoeft te worden verdubbeld.

Met uitzondering van zilver heeft koper de beste geleiding met γ = 56. Aluminium daarentegen heeft slechts γ = 36. Aluminium volgt dus met een gat van ongeveer 35 procent. Koper is bijvoorbeeld het beste edelmetaal en aluminium “slechts” het op één na beste van de technisch en economisch bruikbare geleidende materialen. Daarna niets meer. Alle andere metalen kunnen niet worden beschouwd als geleiders van elektriciteit, en legeringen hebben over het algemeen een aanzienlijk lager geleidingsvermogen dan zuivere metalen. Zilver of goud zijn helemaal uitgesloten vanwege de hoge prijs. Aluminium is een licht metaal met slechts ongeveer 35 procent van de dichtheid van koper.

Aluminium veroorzaakt lagere stroomdichtheden
Om een gelijkwaardige transformator qua efficiëntie met aluminium te wikkelen, moeten de stroomdichtheden met ongeveer 35 procent worden verlaagd in vergelijking met koper. Dit kan worden bereikt door de doorsneden van de geleiders dienovereenkomstig te versterken. Dit betekent dat de plaatwerkpakketten en alle mechanische onderdelen vergroot moeten worden. Het volume, het gewicht en de materiaalinput van de hele transformator nemen overeenkomstig toe. Deze situatie kan ook leiden tot een prijsstijging. De besparingen op het geleidermateriaal worden hierdoor gedeeltelijk tenietgedaan. Om kosten te besparen worden transformatoren echter gebouwd met veel koelkanalen om de temperatuur onder controle te krijgen. Veel aluminium transformatoren moeten tegenwoordig isolatieklasse F, H of meer hebben omdat warmte een probleem is. Net alsof hoe hoger de isolatieklasse, hoe beter de transformator.

Aluminium geleider materiaal vergeleken met koper
Aluminium is vrij buigzaam, maar niet zo buigzaam als koper. De magnetomechanische belasting op de afzonderlijke windingen van een gewikkelde spoel neemt enorm toe met de stroomdichtheid en stroomhoeveelheid. U moet zich voorstellen dat de spoel in het 50 Hz wisselstroomnetwerk wordt belast met een 100 Hz klok. Tijdens dit proces wordt de wikkeling letterlijk opgeblazen. De maximale drukspanning op de geleider kan zelfs bij kleine transformatoren meerdere N/mm2 bedragen. Hierdoor vervormt de doorsnede van de draad en kan deze in het ergste geval zelfs breken bij een langdurige kortsluiting. Hiermee wordt vaak geen rekening gehouden bij het dimensioneren van de transformator. Dit probleem neemt toe bij aluminium in vergelijking met koper. Bovendien beginnen de afzonderlijke wikkelingen bij 100 Hz tegen elkaar te wrijven, wat schadelijk is voor de isolatie. De fout blijft onopgemerkt totdat de wikkeling een kortsluiting krijgt, wat jaren kan duren.

De mechanische wrijving heeft invloed op het wikkelen
In het geval van kortsluiting zal de vernauwing doorsmelten, wat op zijn beurt veel gemakkelijker kan gebeuren dan bij koper vanwege het lagere smeltpunt en warmtegeleidingsvermogen van aluminium, om nog maar te zwijgen van de neiging om dergelijke vernauwingen te vormen, en er zal zich een vlamboog vormen, wat een acuut brandgevaar oplevert. In verhouding tot het volume is de warmtecapaciteit ook lager. Met α = 23,1 heeft aluminium een ongeveer 30 procent hogere thermisch afhankelijke uitzettingscoëfficiënt dan koper met α = 16,5. Dit betekent dat aluminium meer uitzet bij verhitting, waardoor de wikkeling meer sterkte verliest en mechanische wrijving een grotere invloed heeft. Er is hier echter een klein voordeel: in volledig ingekapselde epoxyhars transformatoren heeft aluminium ongeveer dezelfde uitzettingscoëfficiënt als de epoxyhars zelf. Dit kan leiden tot minder interne wikkelspanningen bij enorme temperatuur- en belastingsschommelingen in het F- of H-isolatiesysteem. Wanneer aluminium aan lucht wordt blootgesteld, wordt het snel bedekt met een harde, resistente oxidelaag die geen elektriciteit geleidt en contact maken dus moeilijk maakt. Er kunnen overgangsweerstanden optreden, die op hun beurt kunnen eindigen met brandgevaar.

“Mechanisch” aluminium is problematisch
Aluminium heeft de neiging om lang te vloeien. Het materiaal geeft na verloop van tijd mee onder sterke druk. Op deze manier kunnen aanvankelijk vaste verbindingen geleidelijk loskomen. Om deze reden moeten aluminium geleideruiteinden altijd worden benaderd met goed vastgedraaide schroefcontacten en veerringen, maar juist deze zijn vaak nog niet duurzaam. In principe zijn veercontacten een oplossing, maar dan vormen de oxidelagen weer een probleem. In beide gevallen neemt de contactweerstand langzaam toe en is er dus brandgevaar. Het enige dat hier helpt is solderen of lassen over een groot oppervlak. Elektrochemische contactcorrosie tussen aluminium en koper kan echter niet worden verwaarloosd. Mensen verbinden aluminium transformatoren vaak verkeerd met koperen kabels uit onwetendheid. Anders zou het enige zuiver technische domein van aluminium het gewicht zijn, met een dichtheid van ~2,7 g/cm³ in tegenstelling tot koper met ~8,93 g/cm³, waarbij de benodigde ruimte geen criterium is, maar des te meer het gewicht. Dit is relevant voor bovengrondse leidingen of bijvoorbeeld transformatoren, die erg licht moeten zijn.

Conclusie
Wie niet alleen rekening wil houden met de allesoverheersende prijs, maar ook met de levenslange kosten, moet zich intensiever met dit onderwerp bezighouden. De efficiëntie van het hele systeem met betrekking tot de materiaalkeuze zal in de toekomst doorslaggevend zijn voor energie-efficiëntie, als niet alleen economische, geometrische of functionele beperkingen om speciale oplossingen vragen. ”

Auteur:
Frank Hanisch, afgestudeerd ingenieur elektrotechniek,
Hoofd van de afdeling Technologie en Ontwikkeling bij Bächli AG