Erneuerbare Energien
Ein breites Anwendungsfeld hat Kupfer auch bei den erneuerbaren Energien. Ein entscheidender Schlüssel der Energiewende ist die Steigerung der Energieeffizienz der regenerativen Systeme. Dabei geht es immer um die gesamte Energieumwandlungskette – von der hocheffizienten Stromerzeugung über Transport und Verteilung bis zur effizienten Nutzung. Doch Energie sparende Techniken sind gegenwärtig nicht nur teurer, sondern erfordern in aller Regel auch mehr oder bessere Werkstoffe.
Deswegen kann von der Erzeugung dieser Stoffe eine höhere Umweltbelastung ausgehen als von jenen, die in der „herkömmlichen“ Technik zum Einsatz kommen. Dies muss bei der Ökobilanz berücksichtigt, also gegen die eingesparte Energie aufgerechnet werden. In der Energietechnik dient Kupfer als Funktionswerkstoff und wird hier überwiegend als elektrischer Leiter eingesetzt. Im Gegensatz zu vielen Bauteilen, wo Ressourceneffizienz mit einer Reduzierung der eingesetzten Materialmenge gleichgesetzt wird – etwa um Gewicht zu sparen – sieht der Begriff Effizienz bei Kupfer ganz anders aus. Denn in der Elektrotechnik steigt der Wirkungsgrad, also die Effektivität von Kupfer, umso mehr, je mehr man davon einsetzt. Die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bietet zusammen mit seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner leichten Verarbeitbarkeit, Festigkeit, Langlebigkeit und Formbarkeit unschlagbare Vorteile in solarthermischen Anwendungen. In der Windenergie wird Kupfer in Windenergieanlagen in den Stator- und Rotorwicklungen des Generators, den Starkstromkabeln, den Transformatoren und der Erdungsanlage eingesetzt. Kupfer ist ebenso in den Bestandteilen des Solarzellen zu finden, die in der Photovoltaik eingesetzt werden, wie in der Verkabelung, den Wechselrichtern und der Erdung.
Windturbinen
Aktuelle Windturbinen sind die größten rotierenden Maschinen, die der Mensch je gebaut hat. Heute haben Windenergieanlagen einen Rotordurchmesser bis zu 180 Meter – Tendenz weiter steigend, denn größere Rotordurchmesser verbessern die Wirtschaftlichkeit der Anlage durch optimiertes „Abernten“ des Windes. Moderne Windkraftanlagen benötigen heute inklusive Infrastruktur bis zu 30 Tonnen Kupfer, um zu funktionieren. In den Ringgeneratoren großer Windräder sorgen Wicklungen aus bis zu mehreren hundert Kilometern Kupferflach- und Runddraht für eine umweltfreundliche Stromerzeugung. Die hervorragenden Materialeigenschaften von Kupfer zeigen sich dabei vor allem beim so genannten Kabel-Loop. Dieser gewährleistet, dass sich die Gondel samt Rotorblättern in die von der Windrichtung abhängige, optimale Stellung drehen kann, wobei starke Kräfte auf die Leitungen wirken. Benutzt werden dafür spezielle Kupferleitungen der Klasse 5 und 6 (feindrähtige und feinstdrähtige Leiter), die mit einer spezifischen Verseilung der einzelnen Litzen ausgestattet sind. Kupfer steckt ebenfalls in den Motoren, die die Rotorblätter in ihrer Längsachse drehen und dadurch die Leistung entsprechend der Windgeschwindigkeit regeln. Relativ viel Kupfer braucht auch die Wicklung des Transformators, der die Windkraftanlage mit dem Mittelspannungsnetz des Windparks verbindet. Hinzu kommen noch die Kabel und Leitungen der Datenübertragung und Nachrichtentechnik für die Steuerung und Überwachung.
Solarenergie
Kupfer ist ein äußerst wichtiges Material, um die Weiterentwicklung der Solarenergie und die Energiewende kosteneffizient und nachhaltig zu ermöglichen. Dank seiner natürlichen Eigenschaften wie hoher Leitfähigkeit und Langlebigkeit ist Kupfer für die Sammlung, Speicherung und Verteilung von Solarenergie unerlässlich. Es verbindet PV-Module mit dem Stromnetz und treibt in manchen Fällen die Motoren an, die die Sonnenkollektoren zur Sonne neigen. Darüber hinaus wird das in PV-Anlagen verwendete Kupfer nicht verbraucht, da Kupfer zu 100% recycelbar ist und nach dem Lebenszyklus einer PV-Anlage genutzt und wiederverwendet werden kann, ohne seine vorteilhaften Eigenschaften zu verlieren. Die Kupfermenge, die typischerweise in einer 1-MW-PVAnlage verwendet wird, beträgt 3,1 bis 4,8 Tonnen, abhängig von der Wahl der Wechselrichter-Einspeisekabel. Diese Werte werden wahrscheinlich um weitere 0,4 Tonnen zunehmen, wenn Nachführsysteme zum Einsatz kommen. In Zukunft könnte Silber auf der Solarzelle zudem weitestgehend durch Kupfer substituiert werden. SolarPower Europe prognostiziert, dass die weltweit neu installierte PV-Kapazität für den Zeitraum 2018-2022 rund 622 GW erreichen wird, was einem durchschnittlichen Wachstum von rund 124 GW pro Jahr entspricht. Wenn ein durchschnittlicher Kupferverbrauch von 4 Tonnen / MW angenommen wird, kann die geschätzte zusätzliche jährliche Nachfrage nach Kupfer auf dem PV-Markt auf 496.000 Tonnen pro Jahr geschätzt werden.
Blockheizkraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung)
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom. Ihr Vorteil ist, dass dadurch ermöglicht wird, die Wärme, die durch die Stromerzeugung freigesetzt wird, zu nutzen. Die bekannteste Form der KWK ist ein Stromerzeuger – angetrieben durch eine Wärmekraftmaschine -, bei der vom Motor freigegebene Wärme verwendet wird, um Dampf und / oder Heißwasser zu produzieren. Um das wirtschaftliche Potenzial komplett auszuschöpfen, muss jedoch nicht nur der Strom, sondern auch die Wärme optimal genutzt werden: das heißt, es muss eine zeitgleiche Nachfrage nach Wärme sowie Elektrizität gewährleistet sein. Blockheizkraftwerke (BHKW) arbeiten übrigens nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: Verbrennungsmotoren wandeln dabei über einen Generator mechanische in elektrische Energie um, die dabei entstehende Abgas- und Motorabwärme wird zugleich zur Warmwasserbereitung und zum Heizen verwendet. Das macht BHKWs besonders effizient. Prinzipiell lässt sich thermische Energie direkt in elektrische umwandeln (Peltier-Element). Das funktioniert jedoch nur in ganz kleinem Maßstab. Will man in nennenswertem Umfang Strom erzeugen, so muss man den Umweg über die Wärme und die mechanische Energie gehen: Irgendeine Form einer so genannten „Wärmekraftmaschine“ (Gasturbine, Dampfturbine, Ottomotor, Dieselmotor) treibt einen Generator an, bewegt diesen also. Zur Erzeugung der Wärme wird in großem Stil chemische Energie in Form von Brennstoffen eingesetzt. Kupfer ist dabei an mehreren Stellen ein Schlüsselwerkstoff, weil es bei der Leitfähigkeit sowohl für elektrischen Strom als auch für Wärme die Silbermedaille aller Werkstoffe bekommt. Beides miteinander zu verbinden, zuerst die hohe Temperatur zur Erzeugung von Strom ausnutzen und dann mit der Abfallwärme (von „nur“ noch 100°C statt etwa 1500°C) das Haus beheizen, das leistet ein Blockheizkraftwerk (BHKW): Ein relativ kleiner Verbrennungsmotor wird mit Erdgas oder Heizöl betrieben und treibt einen elektrischen Generator an. Damit der Generator so viel elektrischen Strom wie möglich erzeugt, müssen dessen Kupferwicklungen mit möglichst dickem Draht gewickelt sein.
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