Aluminium - eine gefährliche Versuchung

Aluminiumkabel statt Kupfer: Immer mehr Firmen setzen auf dieses Material, aus dem die Erdkruste zu 8,1 Prozent besteht. Eine davon ist das Familienunternehmen Leipold, bis 2012 ein reiner Teilezulieferer. Rund 450 Mitarbeiter fertigen an vier Standorten eine Milliarde Drehteile im Jahr – darunter Messingblöcke für Anschlussklemmen – „ein Produkt, in das selten viel Herzblut gesteckt wird“, sagt Pascal Schiefer, Leipold-Geschäftsführer und Urenkel des Firmengründers Carl Leipold.

Da das Unternehmen über Jahre hinweg Know-how – und Herzblut – in die Fertigung dieser Klemmenblöcke gesteckt hatte, wagte der Hersteller 2012 den Sprung vom Zulieferer zum Vollsortimenter im Bereich der Verteilerklemmen. Seitdem baute Leipold ein breites Portfolio speziell von Klemmen für Aluminiumkabel auf.

Schutz gegen Oxidation schon bei der Herstellung

Auf die Entwicklung und Zertifizierung dieser Klemmen verwendete Schiefer und sein Team viel Zeit und Energie. Seine speziell beschichteten Klemmen (Schutz gegen Oxidation) hat er nach der Prüfnorm IEC 61238-1:2003 testen und zertifizieren lassen. Welchen extremen Belastungen die Klemme im Laufe der Tests ausgesetzt war, ohne ihre Funktionsfähigkeit einzubüßen, demonstriert Schiefer anhand einer verkohlten Klemme.

Doch wozu dieser Aufwand an Zeit und Geld? Denn eigentlich sind Alukabel auf Grund ihrer Werkstoffcharakteristika nur sehr begrenzt einsetzbar. „Aluminium ist zwar recht duktil, also plastisch verformbar, hat aber geringere Festigkeit und Leitfähigkeit im Vergleich zum Kupfer. Das heißt, Alukabel brechen leichter, was zu Bränden oder Lichtbögen führen kann“, erklärt Dr. Ahmed Parsi vom Kupferinstitut zu den Eigenschaften von Alu.

Schlechte Eigenschaft: Alu verliert Form und neigt zu Langzeitfließen

Des Weiteren überzieht sich Aluminium an der Luft sehr schnell mit einer harten Oxidschicht, die die elektrische Leitfähigkeit unterbricht und daher das Kontaktieren erschwert. „Aluminium neigt zum Langzeitfließen. Das heißt, der Werkstoff gibt bei starkem Druck mit der Zeit nach. So können anfangs feste Anschlüsse allmählich locker werden“, ergänzt Parsi. Aufgrund dieser Charakteristika setzt man Aluminiumkabel nicht für kurze Distanzen, bewegte Kabel oder Anwendungen mit vielen Übergängen ein.

Das ändert sich, denn Kupfer ist teuer. 100 Kilogramm Kupfer kosteten zuletzt laut Schutzvereinigung DEL knapp 840 Euro, dieselbe Menge Aluminium etwa 200 Euro. Kupfer ist außerdem schwerer. Ein Kriterium, das in vielen Branchen immer wichtiger wird. Wolfgang Heidrich, Leiter Verkehr, Maschinenbau, Elektrotechnik und Normung beim Gesamtverband der Aluminiumindustrie, berichtet von den Aktivitäten deutscher Automobilhersteller: „Im Automobilbau greift der Einsatz von Alukabeln mehr und mehr um sich. Da die Kabelwege für die großen Querschnitte länger werden, wird dort Aluminium als Kabelwerkstoff eingesetzt, um Gewicht zu sparen.“ Das geringe Gewicht ist die wohl bekannteste Eigenschaft dieses Metalls.

Gewicht sparen durch das Leichtmetall

Deshalb kommen auch im Airbus A380 anstatt Kupferleitungen Elektroleitungen aus Alu zum Einsatz. In der Infrastrukturverkabelung – dem klassischen Einsatzgebiet von Aluminiumkabeln – steigt die Nachfrage, doch inzwischen gibt es auch in der Industrie Bereiche, in denen Kupfer abgelöst wird, beobachtet Uwe Schenk, Global Segment Manager Wind bei Helukabel. Er nennt ein Beispiel: „An der Decke installierte Kabeltrassen für Leistungskabel, quer durch Werkshallen oder industrielle Anlagen, werden heute mit Alukabeln geplant. Durch teilweise 40 bis 50 Prozent geringere Gewichte reduzieren sich die Kosten schon bei der Tragekonstruktion.“

Schadensfälle an Windkraftanlagen

Der Preis allein sollte allerdings nicht entscheidend sein. So berichtet der Prüfexperte eines auf elektrische Energieübertragung spezialisierten Prüflabors von der wachsenden Zahl an Schadensfällen im Bereich Windenergie: „Wir haben einige Schäden an Windenergieanlagen. Da wurden Aluminiumkabel aus chinesischer Fertigung eingesetzt, die schon vor ihrem Einbau anfingen zu oxidieren – das wird dann ordentlich heiß.“

Egal ob in Windenergieanlagen oder Industrieanlagen, Alu erfordert eine extrem hohe Sorgfalt in der Verarbeitung. Schiefer und Schenk wissen dies und legen daher großen Wert auf die Zertifizierung ihrer Produkte – eine gesetzliche Vorschrift dazu gibt bis heute nicht.

Nicht nur bei der Zertifizierung betreibt Helukabel großen Aufwand, auch in die Entwicklung neuartiger Fertigungsverfahren haben sie investiert: „Uns ist es gelungen, ein feindrähtiges Aluminiumkabel zu fertigen. Das Leichtmetall wird nach dem Prozess des ‚Kaltziehens‘ warm geglüht, um so die Spannung aus dem Material zu nehmen. Unsere neuen Aluminiumkabel erreichen dadurch eine hohe Flexibilität, vergleichbar mit Kupferleitern“, berichtet Schenk.

Spezielle Crimptechnik

Doch auch hier gilt, das Kabel allein ist nur die halbe Miete, unsachgemäß angeschlossen wird es schnell brenzlig. „Speziell bei feindrähtigen Aluminiumkabeln stoßen herkömmlichen Verfahren der Anschlusstechnik an ihre Grenzen, dadurch können die elektrischen Werte, genauer die Übergangswiderstände, bei großen Querschnitten relativ hoch sein“, so Schenk. Eine mögliche Folge: der Kabelschuh und die Isolationswerkstoffe erwärmen sich zu sehr. Diese hö­here thermische Beanspruchung beschleunigt den Alterungs­prozess der Leitung. Um dem vor­zubeugen hat Helukabel eine spezielle Crimptechnik entwickelt.

„Die Crimpkontur unserer Anschlusstechnik bringt das leichte Metall zum Fließen, reißt somit die Oberfläche (Oxydschicht) des Leiters mechanisch auf und macht sie leitfähig. Die Kontur dringt sehr tief in das Litzenbündel ein und ermöglicht damit die Kontaktierung aller Litzen auch im Bündel-Kern, mit über 95 Prozent Füllfaktor des Kabelschuhes eine sichere Sache“, betont Schenk.

Entspricht der Prüfnorm IEC 61238-1

Um das zu gewährleisten, hat Helukabel die Anschlusstechnik ebenfalls nach der IEC – DIN EN 61238-1 Klasse A testen lassen. „Diese Tests sind aufwändig und teuer, bieten dem Kunden jedoch ein hohes Sicherheitsniveau und Qualität der Verbindung, dass es ohne geht, bezweifele ich“, sagt Schenk.

Recht gibt ihm darin der Prüfexperte. Die IEC 61238-1 ist eine Prüfnorm, die sicherstellt, dass Kabel und Verbinder langfristig halten. Dazu wird der Testaufbau 1.000 Zyklen lang unter Last gesetzt. „Das System wird ordentlich gequält“, so der Prüfer. Schwächelt eine Komponente im System – sprich Klemme oder Kabel – kann es schnell gefährlich werden.