Kupfer und Gesellschaft

Kupfer und Kohlendioxid

Die von Kupfer geleisteten Beiträge zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen

Durch die Erhöhung des Querschnitts von Drähten und Kabeln, Freileitungen und Motor- und Transformatorwicklungen kann die elektrische Energieeffizienz deutlich erhöht werden. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Kilogramms Kupfer können zwischen 100 und 7.500 Kilogramm an Treibhausgasemissionen (CO2e) eingespart werden. Gleichzeitig führen die erzielten Energieeinsparungen in den meisten Fällen zu geringeren Kosten im Laufe der Lebensdauer des Systems.

Jeder Leiter in einem elektrischen System hat einen eingebauten Leitungswiderstand. Das bedeutet, dass ein Teil der von ihm getragenen Energie als Wärme abgegeben wird und somit als nutzbare Energie verloren geht. Durch die Erzeugung dieser verloren gegangenen elektrischen Energie werden Kohlendioxidemissionen produziert, die zur globalen Erwärmung beitragen.

Um diese Verluste zu reduzieren, sollte daher zunächst die wichtige Entscheidung getroffen werden, Kupfer als Leiter zu verwenden.

Die Unterschiede beim Leitungswiderstand werden dadurch deutlich, dass Kupfer im Vergleich zu einem Aluminiumteil des gleichen Durchmessers nur 61 % der Verluste aufweist. Sobald die Entscheidung einmal auf Kupfer gefallen ist, können die Energieverluste noch weiter reduziert werden, indem der Durchmesser des Leiters vergrößert wird. Auch wenn dieser nicht unendlich vergrößert werden kann, ist die für den Umweltschutz optimale Leitergröße für Transformator- und Motorwicklungen, elektrische Kabel und Bahnstromleitungen doch deutlich höher anzusetzen als die derzeit verwendeten Standardgrößen. Außerdem führt eine Vergrößerung des Durchmessers dazu, dass die Lebenszykluskosten des Systems in den meisten Fällen reduziert werden.

Das bedeutet, dass eine Investition in zusätzliches Kupferleitermaterial sowohl von einem ökologischen als auch von einem ökonomischen Standpunkt aus Sinn macht.

Die folgenden Beispiele zeigen, wie die Erhöhung des Kupferleiterdurchmessers zu einer Reduzierung der Kohlendioxidemissionen beitragen kann:

Ein Induktionsmotor mit 15 KW kann im Laufe seiner Lebensdauer 15.320 kg an Kohlendioxidemissionen einsparen

Ein Niederspannungs-Induktionsmotor mit 15 kW pumpt Wasser, treibt Druckluftkompressoren an oder wird für den Betrieb von Lüftungssystemen verwendet. Für die Verbesserung der Motoreffizienz von den standardmäßigen 89,4 % auf 91,8 % ist eine Erhöhung des Kupferanteils des Leiters von 8,3 auf 10,3 kg erforderlich. Unter der Annahme, dass der Motor eine Lebensdauer von 20 Jahren hat und im Durchschnitt mit einer Auslastung von 50 % über 6000 Stunden pro Jahr betrieben wird, lässt sich mithilfe des Eco-Design-Tools eine Reduzierung der CO2e-Emissionen in Höhe von 15.320 kg für die gesamte Lebensdauer berechnen, unter Verwendung des durchschnittlichen EU-Strommixes. Dies entspricht einer CO2e-Reduzierung von 7.660 kg/pro kg an zusätzlichem Kupfer.

Die nationalen Strommixe wirken sich erheblich auf diese Statistik aus. In Frankreich, wo die Atomenergie vorherrschend ist, beläuft sich die Emissionsreduzierung auf 1.550 kg CO2e/kg Kupfer, wohingegen in Polen, wo der Strom hauptsächlich durch mit Kohle betriebene Kraftwerke erzeugt wird, die Emissionsreduzierung im Laufe der Lebensdauer des Motors 15.980 kg CO2e/kg Kupfer beträgt.

Mit einem Transformator mit 1,6 MVA können 1.023 kg an Kohlendioxidemissionen pro kg Kupfer eingespart werden

Ein ölgekühlter Transformator mit 1,6 MVA wird verwendet, um Industrieanlagen mit dem öffentlichen Mittelspannungs- oder Hochspannungsnetz zu verbinden. Für die Aufwertung des Transformators von der Klasse AA' in die Klasse CC' oder die Verwendung eines amorphen Eisenkerns muss der Kupferanteil um 220 bzw. 720 kg erhöht werden. Unter der Annahme einer Lebensdauer von dreißig Jahren und einer durchschnittlichen Auslastung von 50 % über 8.760 Stunden pro Jahr lässt sich mithilfe des Eco-Design-Tools, unter Verwendung des EU-Strommixes, eine Emissionsreduzierung von 1.023 kg CO2e/kg Kupfer für den CC'-Transformator und von 550 kg CO2e/kg Kupfer für den Transformator mit amorphem Kern berechnen.

Die in kleinen Bürogebäuden verwendeten elektrischen Leitungen können die Kohlendioxidemissionen um 6.000 kg verringern

Wenn die Größe der elektrischen Leitungen für ausgewählte Stromkreise in kleinen Bürogebäuden (~1000 m²) mithilfe einer üblichen, für den Kabelaufbau verwendeten Software bestimmt wurde, enthalten sie 32,5 kg Kupfer. Wenn die Größe dieser Leitungen um ein Standardkaliber erhöht wird, so erhöht sich die verwendete Kupfermenge auf 52,2 kg, während die Kohlendioxidemissionen, unter Verwendung des EU-Strommixes, im Laufe der Lebensdauer der Kabel um 6.000 kg verringert werden. Dies entspricht einer Reduzierung von 400 kg CO2e/kg an zusätzlichem Kupfer. Wenn die Größe so gewählt wird, dass die geringsten Lebenszykluskosten erreicht werden, würden die Durchmesser sogar noch größer ausfallen und die verwendete Kupfermenge würde sich auf 114 kg erhöhen. Die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen würde sich, im Vergleich zum Basisansatz, im Laufe der Lebensdauer der Kabel auf 11.100 kg oder 137 kg CO2e/kg an zusätzlichem Kupfer belaufen.

An den Oberleitungen des niederländischen Eisenbahnnetzes könnten 93 kg an Kohlendioxidemissionen pro kg Kupfer eingespart werden

Im niederländischen Schienennetz werden 1,5 kV DC für die Traktion verwendet. Die Erhöhung des Durchmessers der Oberleitungen von 500 auf 800 mm² würde eine zusätzliche Kupfermenge von 2.670 kg/Streckenkilometer erfordern. Durch diese Erweiterung ließen sich die Verluste in den Oberleitungen im Laufe der Lebensdauer des Systems, basierend auf dem täglichen niederländischen Zugfahrplan, um 488 MWh reduzieren. Mithilfe des Eco-Design-Tools lässt sich, unter Verwendung des EU-Strommixes für die Lebensdauer eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um 93 kg CO2e/kg an zusätzlichem Kupfer berechnen.

Eine Investition, die sich in ökologischer Hinsicht mehrfach auszahlt

Wie diese Beispiele zeigen, können die Kohlendioxidemissionen am deutlichsten bei Geräten mit einer hohen Nutzungsrate und in Ländern, deren Stromerzeugungsmix einen hohen Anteil an fossilen Brennstoffen aufweist, reduziert werden. Aber auch in Systemen, die im Laufe der Lebensdauer weniger stark beansprucht werden, können deutliche Einsparungen erreicht werden.

Auf Seiten der Produktion werden ungefähr 3 kg an CO2e beim Abbau und der Produktion jedes kg Kupfers ausgestoßen [1]. Das bedeutet, dass die durch die zusätzliche Kupferverwendung erzielten Einsparungen von Kohlendioxidemissionen durch drei geteilt werden müssen, um den ökologischen Payback-Faktor zu ermitteln.

Die im Laufe der Lebensdauer erzielten Einsparungen von Kohlendioxidemissionen und die entsprechenden ökologischen Payback-Faktoren für ein zusätzliches kg Kupfer lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Anwendung

CO2e-Emissionsreduzierung

Ökologischer Payback-Faktor

Bahnstromleitung

75 bis 100 kg

25 bis 33

Bürogebäudeleitung

100 bis 400 kg

33 bis 133

Transformatoren

500 kg

166

Elektrische Motoren

3.000 bis 7.500 kg

1.000 bis 2.500


Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil, den Kupfer für die Umwelt mit sich bringt, ist seine 100 %ige Wiederverwertbarkeit am Ende der Lebensdauer eines Gerätes, die ohne jeglichen Qualitätsverlust möglich ist. Obwohl Aluminium ebenfalls recycelbar ist, kann das recycelte Material aufgrund von Leistungseinschränkungen nicht für neue Leiter verwendet werden. Für neue Leiter wird standardmäßig Primäres Aluminium verwendet.

Zusammenfassung

Durch die Erhöhung des Durchmessers eines Kupferleiters werden schädliche CO2e-Emissionen reduziert. Zu den damit einhergehenden Vorteilen zählen gute ökologische Payback-Faktoren, Reduzierungen der Lebenszykluskosten des Systems und eine 100 %ige Wiederverwertbarkeit am Ende der Nutzungsdauer.



Referenzen

[1] ECI, 2006, www.copper-life-cycle.org, providing up to date life cycle data on key products
[2] EPD, May 2000, Product Specific Requirements for Rotating Electrical Machines, available from www.environdec.com
[3] European Commission - DG TREN, 1999, Save: Technical, economical and cost-benefit analyses of energy efficiency improvements in industrial three-phase induction motors
[4] THERMIE, December 1999, THERMIE STR-1678-98-UK: the Scope for Energy Saving in the EU through the Use of Energy-Efficient Distribution Transformers, available from www.leonardo-energy.org
[5] Leonardo ENERGY, R. Targosz (ed) et al, February 2005, Global energy savings potential from high efficiency distribution transformers, available from www.leonardo-energy.org
[6] Frederik Groeman, July 2000, Optimal reduction of energy losses in catenary wires for DC railway systems, ref 98430138-TDP 00-12709, available from www.leonardo-energy.org
[7] Frederik Groeman, November 2001, Benefits of upgrading the overhead line of a DC railway line in the Netherlands – a simulation case study, available from www.leonardo-energy.org
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