Leonardo ENERGY Deutschland

Dabei darf man sich nicht vom schlechten Wirkungsgrad eines solchen Transformators täuschen lassen. Etwa 95% werden angegeben, während von einem stationären Transformator gleicher Nennleistung ein Wirkungsgrad von gut 99% erwartet werden darf. Die Wirkungsgrade elektrischer Maschinen, zu denen auch Transformatoren gerechnet werden, lassen sich nahezu grenzenlos verbessern, indem man die eingesetzte Menge aktiven Materials (Eisen und Kupfer bzw. Aluminium) erhöht oder indem man die Aluminiumleiter durch Kupferleiter (mit der 1,5-fachen Leitfähigkeit, leider aber auch der 3-fachen Masse – und bezahlt wird nach Masse) ersetzt. In ortsfesten Maschinen und Anlagen ist also eine Investition in voluminösere bzw. schwerere Einheiten gleicher Bemessungsleistung in sehr weiten Grenzen sinnvoll und nützlich. In Fahrzeugen jedoch wirkt jede Erhöhung des Gewichts bzw. der Masse kontraproduktiv. Ein solcher Bahntransformator bringt 10 t auf die Waage, während ein Transformator gleicher Leistung im öffentlichen Stromnetz auf gut und gerne 30 t käme. Würde er einphasig und vor allem auf die niedrigere Bahnfrequenz von nur 16,7 Hz ausgelegt, käme er auf etwa 50 t. Beim mobilen Trafo muss man also Folgendes gegeneinander aufrechnen:

• Wird der Fahrzeugtrafo im Laufe eines 30 Jahre währenden Lebens mit umgerechnet 3200 Volllast-Betriebsstunden jährlich belastet, so entstehen darin Verluste in Höhe von 1,2 GWh. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von 95% auf 99% könnte somit 1 GWh einsparen.
• Die hierfür aufzuwendenden zusätzlichen 40 t Aktivmaterial müssen jedoch während dieser 30 Jahre etwa 15.000 Mal auf die Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h beschleunigt werden. Das kostet näherungsweise 2 GWh, wovon bei heutiger Betriebsweise höchstens die Hälfte beim Bremsen zurück gewonnen wird – macht netto 1 GWh zusätzlichen Verbrauch.

Der Trafo ist also gemäß dieser sehr groben Schätzung richtig ausgelegt: Der Einsatz wesentlich mehr aktiven Materials brächte erhebliche Mehrkosten, aber die Gesamt-Effizienz des Fahrzeugs bliebe ungefähr gleich. Die gewählte Auslegung befindet sich offensichtlich gerade am energetischen Optimum, das allerdings sehr flach zu verlaufen scheint, so dass eine genauere Schätzung oder Berechnung zu einem ganz ähnlichen Ergebnis führen würde.

Entsprechendes gilt tendenziell für die Fahrmotoren und alle anderen elektrischen Betriebsmittel an Bord – wie gesagt ganz im Gegensatz zu stationären Anwendungen, wo die »dickere« Lösung mit mehr Eisen und Kupfer immer die effizientere darstellt. Beim Fahrzeug jedoch steht stets die Einsparung an Masse bzw. Gewicht an oberster Stelle. Ein weiterer Ersatz von Stahl durch Aluminium und bestimmte Kunststoffe kann hier sicher, wie schon bisher, noch weitere gute Dienste leisten. Auch ermöglichen verbesserte Werkstoff-Eigenschaften und optimierte Gestaltung dank moderner EDV-Technologien die Fertigung von Stahlteilen gleicher Beanspruchbarkeit aus weniger Stahl.

Da läge der Gedanke nahe, das Kupfer im Bahntrafo und in den Traktionsmotoren durch Aluminium zu ersetzen, denn Aluminium hat nur ¹/₃ der Dichte von Kupfer, aber immerhin ²/₃ der elektrischen Leitfähigkeit, also sollten ³/₂ des Volumens und somit die Hälfte an Masse ausreichen, um in einer elektrischen Maschine die gleiche Funktion zu erfüllen. Diese Rechnung geht jedoch nicht auf, da dieses Mehr an Volumen, das vom leichten Aluminium eingesetzt werden müsste, eine größere Baugröße, also auch den Einsatz von mehr Dynamoblech, erfordern würde, und Eisen ist fast so schwer wie Kupfer. So werden auch die Läuferkäfige der Traktionsmotoren aus Kupferprofilen zusammengeschweißt, statt gegossene Läuferkäfige aus Aluminium zu verwenden. Hierdurch lässt sich entweder bei sonst gleichem Aufbau des Motors ein noch besserer Wirkungsgrad erzielen, oder man kann bei gleichem Wirkungsgrad die Leistungsdichte erhöhen, also den ganzen Motor kleiner und somit insgesamt, trotz der Verwendung des wesentlich schwereren Leiterwerkstoffs, leichter bauen.

Doch auch dort, wo der zusätzliche Platz-Bedarf für Aluminium nicht die Ausschlag gebende Rolle spielt, weil dies nicht zum Einsatz von mehr Eisen oder anderer Werkstoffe führen würde (Bild 32), hat man mit Aluminium wegen seiner technologischen Eigenschaften sehr schlechte Erfahrungen gemacht, wie ein Mitarbeiter der DB AG, vormals bei der DR beschäftigt, berichtet: »Bei der BR 143 wurden zu DDR-Zeiten Alu-Stromschienen eingebaut. Dies war für die Instandhaltung ein Desaster. Erstens wies das Material an den Verschraubungen ein Fließverhalten auf. Verschraubungen mussten ständig bezüglich des Drehmomentes geprüft werden. Weiterhin hat man höhere Übergangswiderstände und einen geringeren Leitwert. Korrosion an den Kontakten verschlechterte den Zustand weiter. … Aber was macht man nicht alles, wenn man kein Kupfer hat?«

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