Energiesparen versus Einkaufspreis.

Teures Kupfer oder billiges Aluminium bei Spulen?
Am Markt für induktive Wickelgüter beginnt sich entgegen den Energiesparkonzepten aller grösseren Länder ein Trend abzuzeichnen – Wicklungen aus Aluminium statt Kupfer. Der grosse Vorteil ist neben dem geringeren Gewicht der vergleichsweise wesentlich niedrigere Einkaufspreis für Aluminium im Vergleich zu Kupfer.

Viele Maschinen- und Anlagenbauer haben gerade in Zeiten eines starken Frankens nur den Preis vor Augen. Energieeffizienz darf unter Preisdruck nicht interessieren, oder man spart am falschen Ende. In vielen Branchen, den privaten Medien- und Haushaltsgeräten beispielsweise, kämpft man um hohe Wirkungsgrade und geringste Stand-by-Verluste. Im Industriesektor lässt man jedoch ein «Energiemanagement» zu oft aussen vor. Beispiele sind zu kleine Querschnitte der Verkabelung, billige Schalter/Kontakte oder «billige» induktive Wickelgüter wie Transformatoren, Drosseln und Motoren. Hier lohnt oft der genaue Blick auf die Verluste.

Geringere Wärmeverluste reduzieren die Bauform
Denn die direkte Energieeinsparung kompensiert den höheren Anfangspreis oft innerhalb von 12 bis 24 Monaten. Weiterhin sind indirekte Energieeinsparungen in Räumen oder Schaltschränken machbar, wenn man diese belüften oder klimatisieren muss. Dank geringeren Wärmeverlusten sind zusätzliche Bauvolumen- und Kosteneinsparungen machbar. Prinzipiell lassen sich heute die Verluste «billiger» induktiver Wickelgüter mit wirtschaftlich «normalen» Mitteln durchaus halbieren, ohne den Preis verdoppeln zu müssen.

Kupfer hat bis auf Silber den besten Leitwert mit γ = 56. Aluminium dagegen hat nur γ = 36. Aluminium folgt also mit etwa 35 Prozent Abstand. So ist Kupfer das beste Edelmetall und Aluminium «nur» das zweitbeste der technisch und wirtschaftlich verwertbaren Leiterwerkstoffe. Danach kommt nichts mehr. Alle anderen Metalle kommen als Stromleiter nicht in Betracht, und Legierungen haben ganz generell eine erheblich niedrigere Leitfähigkeit als reine Metalle. Silber oder Gold scheiden wegen des hohen Preises ganz aus. Aluminium ist ein Leichtmetall mit nur etwa 35 Prozent der Dichte von Kupfer.

Aluminium bedingt geringere Stromdichten
Um einen, vom Wirkungsgrad her betrachtet, äquivalenten Transformator mit Aluminium zu wickeln, muss man die Stromdichten gegenüber Kupfer um etwa 35 Prozent senken. Dies lässt sich erreichen, indem man die Leiterquerschnitte entsprechend verstärkt. Dies bedingt, dass man die Blechpakete und alle mechanischen Bauteile vergrössern muss. Volumen, Gewicht und Materialeinsatz des gesamten Transformators steigen dementsprechend an. Diese Situation kann durchaus auch eine Preissteigerung zur Folge haben. Die Ersparnis beim Leiterwerkstoff zehrt sich hierdurch teilweise wieder auf. Um aber Kosten zu sparen, baut man Trafos mit vielen Kühlkanälen, um so die Temperatur in den Griff zu bekommen. Viele Aluminiumtrafos müssen heute die Isolationsklasse F, H oder mehr haben, weil die Hitze ein Problem darstellt. Gerade so, als wäre ein Transformator umso besser, je höher die Isolierstoffklasse.

Leiterwerkstoff Aluminium im Vergleich zum Kupfer
Aluminium ist zwar recht duktil, aber nicht so duktil wie Kupfer. Die magneto-mechanische Belastung der einzelnen Windungen einer gewickelten Spule nimmt mit der Stromdichte und Strommenge enorm zu. Man muss sich das so vorstellen, dass die Spule im 50-Hz- Wechselspannungsnetz mit einem 100-Hz- Takt belastet ist. Dabei bläst sich die Wicklung regelrecht auf. Die maximale Druckspannung auf den Leiter kann dabei schon bei kleinen Trafos mehrere N/mm2 haben. Dabei verformt sich der Draht in seinem Querschnitt und kann schlimmstenfalls bei längerem Kurzschluss sogar reissen. Bei der Trafodimensionierung beachtet man dies oft nicht. Dieses Problem nimmt bei Aluminium gegenüber Kupfer zu. Weiterhin fangen die einzelnen Windungen an, im 100-Hz-Takt gegeneinander zu reiben, was der Isolation schadet. Der Fehler bleibt so lange unbemerkt, bis die Wicklung einmal einen Kurzschluss erleidet, was Jahre dauern kann.

Die mechanische Reibung hat Einfluss auf die Wicklung
Bei einem Kurzschluss 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 bildet sich ein Lichtbogen, was akute Brandgefahr bedeutet. Auf das Volumen bezogen ist auch noch die Wärmekapazität geringer. Aluminium hat mit α = 23,1 einen etwa 30 Prozent höheren thermisch abhängigen Ausdehnungskoeffizienten als Kupfer mit α = 16,5. Das heisst, bei Erwärmung dehnt sich Aluminium mehr aus, wodurch die Wicklung mehr Festigkeit verlieren kann und die mechanische Reibung grösseren Einfluss nimmt. Hier bietet sich jedoch ein kleiner Vorteil: In Wicklungsvollverguss-Epoxidharztrafos hat Aluminium etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Epoxidharz selbst. Dadurch kann es bei enormen Temperatur- und Lastschwankungen im F- oder H-Isolationssystem zu weniger inneren Wicklungsspannungen kommen. 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 können.

«Mechanisch» ist Aluminium problematisch
Aluminium neigt zum Langzeitfliessen. Der Werkstoff gibt bei starkem Druck mit der Zeit nach. So können sich zunächst feste Anschlüsse allmählich lockern. Aus diesem Grund sollte man Leiterenden aus Aluminium stets mit stramm angezogenen Schraubkontakten und Federscheiben kontaktieren, aber gerade diese sind oft trotzdem nicht dauerhaft. Abhilfe schaffen im Prinzip Federkontakte, doch damit sind dann wieder die Oxidschichten ein Problem. Es kommt in beiden Fällen zu langsam ansteigenden Übergangswiderständen und somit wiederum zu Brandgefahr. Hier hilft nur grossflächiges Verlöten oder Verschweissen. Jedoch ist die elektrochemische Kontaktkorrosion zwischen Aluminium und Kupfer nicht zu vernachlässigen. Oft verbindet man aus Unwissenheit Aluminiumtrafos mit Kupferleitungen falsch. Einzige rein technische Domäne des Aluminiums wäre sonst sein Gewicht bei einer Dichte von ~2,7 g/cm³ im Gegensatz zu Kupfer mit ~8,93 g/cm³, wo der Raumbedarf kein Kriterium darstellt, umso mehr aber das Gewicht. Relevant ist das für Freileitungen oder z. B. Transformatoren, die sehr leicht sein müssen.

Fazit
Wer nicht nur den alles dominierenden Preis, sondern auch die lebenslang anfallenden Kosten berücksichtigen will, sollte sich mit diesem Thema verstärkt auseinandersetzen. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage bezüglich der Auswahl der Materialien ist in Zukunft für die Energieeffizienz entscheidend, wenn nicht nur wirtschaftliche, geometrische oder funktionelle Zwänge Sonderlösungen fordern. «

Autor:
Frank Hanisch, Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik,
Leiter der Abteilung Technik und Entwicklung bei der Bächli AG