Aus- und Weiterbildung

Physik – Kupfer und Elektrizität (Oberstufe)

1. Einleitung

Elektritzität und Effizienz

Elektrizität ist ein einmalig komfortabler Weg, um eine Energiequelle zu nutzen. Per Knopfdruck steht uns sofort verfügbare Energie bereit; dadurch können wir Energie in dicht besiedelten Gebieten verwenden, während fossile Brennstoffe an einem entfernten Standort verbrannt werden. Seit kurzem ist es uns auch möglich, Energie aus erneuerbaren Energien wie der Windkraft zu gewinnen.
Allerdings gibt es diesen Komfort nicht umsonst. Elektrizität ist keine Primärenergiequelle. Das bedeutet, dass es im System Verluste gibt, ehe die Elektrizität an der Verbrauchsstelle ankommt. Es gibt weitere Verluste in allen elektrischen Geräten. Eine Verringerung dieser Verluste kann zu großen Einsparungen für die Wirtschaft und die Umwelt führen.
Hier beschäftigen wir uns damit, wie Elektrizität erzeugt, verteilt und genutzt wird und welche Rolle Kupfer dabei spielt, diese Aktivitäten effizienter zu machen.

2. Nutzung von Elektrizität

2.1. Elektrische Effizienz

Erzeugung und Verteilung von Elektrizität

Obwohl Elektrizität sehr praktisch ist, sind wir uns nicht immer des Abfalls bewusst, der mit der Nutzung von Elektrizität verbunden ist. Über 50 % der Elektrizität in der EU stammen aus fossilen Brennstoffen, hauptsächlich Kohle, auf die ungefähr 30 % der gesamten Elektrizitätserzeugung in der EU entfallen. Das Verbrennen dieser Brennstoffe verursacht Umweltbelastungen, die Kohlendioxid (ein Treibhausgas) und Schwefelverbindungen in die Atmosphäre freisetzen. Fossile Brennstoffe sind finite Ressourcen und jedweder Abfall im System bedeutet, dass wir sie schneller verbrauchen als es unseren Enkeln lieb wäre.

Nutzung von Elektrizität

Das Verteilungssystem verliert (als Wärme) ungefähr 8 % der Energie, die an es geliefert wird – d. h. es ist zu 92 % effizient. Das Erzeugungssystem ist weniger effizient. Ein herkömmliches Kraftwerk ist zu ungefähr 35 % effizient – obwohl moderne Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Wirkungsgrade von bis zu 60 % haben können. Der Großteil der Verluste in einem Kraftwerk ist auf die thermodynamischen Prozesse mit den Generatoren zurückzuführen, wobei der Wirkungsgrad ungefähr 92 % beträgt. 
Zu dem Zeitpunkt, zu dem wir die Elektrizität nutzen, beträgt sie lediglich 33 % des ursprünglichen Energiegehalts des Brennstoffes. Anschließend kommt es noch zu einem weiteren Verlust in dem Gerät, das wir verwenden. Bei einem Standardmotor würde dies 12 % ausmachen, wodurch das gesamte System einen Wirkungsgrad von ungefähr 28 % besitzt.

Wenn wir die Effizienz verbessern können, verringert dies die Kosten, die Umweltbelastungen und die Geschwindigkeit, in der wir kostbare Vorräte an fossilen Brennstoffen aufbrauchen. Der Wirkungsgrad kann als der dritte Brennstoff betrachtet werden – eine Alternative zu alternativen Energiequellen.

Vergleich von Verlusten

Der Gesamtwirkungsgrad für die Elektrizitätserzeugung und Nutzung mag sehr gering erscheinen. Allerdings muss er mit der Nutzung anderer Brennstoffe verglichen werden. In einem Auto stehen ungefähr 15 % der primären Brennstoffenergie an den Rädern zur Verfügung – das beinhaltet nicht die Verluste, die mit dem Transport von Benzin von der Raffinerie zur Verwendungsstelle verbunden sind. Ein häuslicher Gaskessel hat einen thermischen Wirkungsgrad von ungefähr 70 % – wobei wiederum die Energie vernachlässigt wird, die benötigt wird, um das Gas durch das Land zu pumpen. Allerdings wird ein Großteil der Heizleistung lediglich dafür aufgewandt, die Gebäudehohlräume und -konstruktion aufzuheizen. Somit ist die brauchbare Leistung viel niedriger.

Es müssen nicht nur neue Energiequellen – insbesondere erneuerbare – entwickelt werden, sondern wir müssen auch die Effizienz der Nutzung vorhandener Ressourcen steigern. Kupfer spielt eine entscheidende Rolle bei der Effizienzsteigerung elektrischer Geräte und der Elektrizitätsverteilung.

Verringerung der Verluste

Elektroingenieure müssen die Energieeffizienz bei der Gestaltung neuer Systeme berücksichtigen. Sobald elektrische Ströme fließen und sich magnetische Felder verändern, kommt es zu Energieverlusten – Dinge werden heiß, wenn wir dies nicht wollen. Dieser Abfall kostet Geld und führt zu erhöhten Umweltschäden.
60 % von allem weltweit produzierten Kupfer wird bei elektrischen Geräten eingesetzt. Es wird in elektrischen Motoren und Generatoren, Transformatoren, Drähten und Kabeln, Leiterplatten und Mikrochips verwendet.

2.2. Kupferkabel

Kupfer und Energieeffizienz

Copper is a very good electrical conductor. This means that the resistance of a length of copper cable

Kupfer ist ein sehr guter elektrischer Leiter. Das bedeutet, dass der Widerstand einer Kupferkabellänge relativ gering ist. Ein Aluminiumkabel wäre nahezu doppelt so widerstandsfähig wie ein Kupferkabel mit den gleichen Maßen. Daher sind die Energieverluste in einem Aluminiumkabel größer als in einem Kupferkabel. Das Kupferkabel ist energieeffizienter.

Um ein Aluminiumkabel mit den gleichen Energieverlusten wie ein Kupferkabel herzustellen, müssen wir es dicker machen. Die größere Querschnittsfläche verringert seine Widerstandsfähigkeit und senkt die Energieverluste auf das Niveau der Verlustrate eines engeren Kupferkabels.

Welche Vorteile bietet Kupfer?

Im Vergleich zum Aluminiumkabel bietet das Kupferkabel mehrere Vorteile. Weil es dünner ist, passt es in einen kleineren Kabelkanal. Es kann um engere Ecken gebogen werden und kann einfach zusammengefügt werden.
Kupfer hat die dreifache Dichte von Aluminium. Ein Aluminiumkabel wiegt halb so viel wie ein Kupferkabel bei gleicher Leistung. Daher werden Aluminiumkabel (stahlverstärkt) oftmals zum Aufhängen zwischen Freileitungsmasten bevorzugt.
Für einen umfassenden Vergleich der Energieeffizienz sollten wir auch die Energie berücksichtigen, die beim Abbau, der Raffination und dem Transport dieser Metalle verbraucht wird.

Was ist der ungefährliche Betriebsstrom?

Die Nennstromstärke eines Kabels ist die Stromstärke, die das Kabel sicher führen kann ohne zu überhitzen. Das Hauptproblem ist, dass die Temperatur des Leiters nicht über 90°C steigen sollte, weil dadurch die Isolierung beeinträchtigt wird und schließlich zerstört wird. Ein Kabel sollte stets durch eine Schutzvorrichtung – Sicherung oder Leistungsschalter – geschützt sein, die seiner Nennstromstärke entspricht. Die Übertragungskabel im Bild gibt es serienmäßig mit einer 500 A-Schutzvorrichtung, die den Stromkreis unterbrechen wird, ehe die Stromstärke hoch genug ist, um ein Überhitzen des Kabels zu verursachen.

Der Betriebsstrom eines Kabels wird dadurch bestimmt, wie heiß das Kabel wird. Dies wird von einer Reihe von Variablen beeinflusst:
• dem Kabelwiderstand – ein Kabel mit einer größeren Widerstandsfähigkeit wird bei einer bestimmten Stromstärke heißer
• der Kabelisolierung – dadurch wird das Kabel warm gehalten
• der Kabelumgebung – sollte es sich in einem Kanal (insbesondere ohne Luftstrom) befinden, wird es tendenziell heißer.

Kupfer spielt eine Rolle, die Nennstromstärke der Kabel zu verbessern, weil es ein derartig guter Leiter ist.

Weiter auf Seite 2 



Wenn Sie diese Seite weiter verwenden, stimmen Sie der Nutzung von Cookies zu. Falls Sie dazu mehr erfahren möchten, informieren Sie sich hier. Akzeptieren