Aluminiumlegierungen für elektrische Verbindungen

Mit dem Ausbau der regenerativen Energien muss in den kommenden Jahren vermehrt elektrische Energie transportiert werden. Vor allem große Windparks on- und offshore mit einer installierten Leistung von rund 44 GW im dünn besiedelten Norden und die Lastzentren im energieintensiven Süden machen neue Wege zum Leistungstransport unumgänglich. Die derzeitige Netzstruktur erreicht dabei die Grenzen der physikalischen Belastbarkeit. Im Projekt ALLEE forscht Professor Dr. Olaf Keßler gemeinsam mit vier Forschungspartnern an neuen Aluminiumlegierungen, die den erhöhten Anforderungen genügen.

Aluminium bietet dabei im Vergleich zu Kupfer einige Vorteile: Es ist preiswerter und leichter. Zudem besitzt es eine höhere dichtebezogene elektrische Leitfähigkeit. Das wird bei einem Vergleich zwischen Kupfer und Aluminium aus Sicht der Starkstromtechnik deutlich: Das für viele Aluminiumlegierungen verwendete Basismaterial AL99,5 benötigt  zum Beispiel den 1,7-fachen Leiterquerschnitt im Vergleich zu Kupfer. Eine AlMgSi benötigt mit dem 1,9-fachen sogar fast den doppelten Querschnitt, um den gleichen Strom übertragen zu können. Durch die geringere Dichte des Aluminiums ist das Gewicht bei gleicher Stromtragfähigkeit jedoch nur etwa halb so hoch wie bei Kupfer.

Problematisch beim Einsatz von Aluminium ist hingegen die geringe Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen. Das bedeutet, dass sich ein Aluminiumleiter bei einer konstanten mechanischen Last abhängig von der Zeit plastisch verformt. Geschieht dies in einer Verbindung, kann sich der elektrische Widerstand, die Verlustleistung und damit die Temperatur des Materials stark erhöhen. Die Verbindung altert dadurch noch schneller und kann bereits innerhalb der geplanten Lebensdauer ausfallen.

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, kriechfeste Aluminiumlegierungen für den Einsatz in der Energietechnik zu entwickeln. Konkret bedeutet das, dass der Werkstoff bei hohen Temperaturen im Bereich von ca. 140 °C seine physikalischen Eigenschaften behält und damit langzeitstabile elektrische Verbindungen hergestellt werden können. Im Fokus der Entwickler stehen dabei Stromschienen. Diese sollen in einer typischen Geometrie hergestellt, anschließend als Stangenmaterial und beim Einsatz in Schraubenverbindungen sowie unter typischen Belastungen in Langzeituntersuchungen untersucht werden.