Die kommende Kupferknappheit: Aluminium oder Kohlenstoffnanoröhren als Rettung?

Die Verwendung von Aluminium in der Verkabelung wird wahrscheinlich niemandem ein Lächeln ins Gesicht zaubern, der sich in einem Haus aus den 1960er- oder frühen 1970er-Jahren damit auseinandersetzen musste. Die Ursachen für die Brände und andere Unfälle waren vielfältig, darunter das Versäumnis, mit der höheren Wärmeausdehnung von Aluminium, der elektrisch isolierenden Eigenschaft von Aluminiumoxid und der allgemeinen Sprödigkeit von Aluminium beim Verdrehen umzugehen.

Doch während Kupfer Aluminium hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und einfacher Installation überlegen ist, sind die Kupferpreise seit den 1970er Jahren sprunghaft gestiegen und stehen kurz vor dem Abflug zum Mond. Ein großer Teil des Grundes ist der zunehmende Einsatz von Kupfer in allen Bereichen, von der Elektronik über Elektromotoren bis hin zu Generatoren, vorangetrieben durch den großflächigen Einsatz von Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen.

Da die Welt die Nutzung von Elektroautos und die Installation von Windkraftanlagen massiv ausweitet, wird die Kupfernachfrage voraussichtlich das derzeitige Kupferangebot übersteigen. Da Aluminium dadurch wahrscheinlich eine große Rendite erzielen wird, lohnt es sich, einen Blick auf die moderne Verkabelung auf Aluminiumbasis zu werfen, einschließlich kupferkaschiertem Aluminium und der Verwendung von Ersatz auf Kohlenstoffbasis.

Im Nachhinein betrachtet waren die Kupferpreise in den 1960er und 1970er Jahren noch nicht so schlecht, wie wir in der folgenden Grafik der Kupferpreise der letzten 45 Jahre sehen können:

Diese Preissteigerungen sind größtenteils auf die steigende Nachfrage nach mehr Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen zurückzuführen, die sich in den kommenden Jahren voraussichtlich beschleunigen wird, was zu einem weiteren Druck auf das bestehende Angebot führt. Obwohl die USGS wahrscheinlich unentdeckte Kupfervorkommen identifiziert hat, erfordert dies die Gründung eines Bergbaubetriebs, und nicht alle Kupfererze können wirtschaftlich abgebaut und in Rohkupfer umgewandelt werden.

Anfang des Jahres veröffentlichte die Internationale Energieagentur (IEA) einen Bericht über die Rolle kritischer Mineralien bei der Energiewende zu kohlenstoffarmen Quellen. Ausgehend von diesem Bericht können wir in den folgenden Bildern den relativen Metallbedarf pro Quellentyp, pro Nennausgangskapazität sowie den Materialbedarf für Elektrofahrzeuge (EVs) im Vergleich zu herkömmlichen (ICE) Autos sehen:

Unterdessen wird erwartet, dass die erwartete Nachfragekurve für Kupfer angesichts der aktuellen nachhaltigen Entwicklungspolitik gleichzeitig in etwa wie das folgende Bild aussieht, im Vergleich zur aktuellen Kupferminenproduktion und den erwarteten neuen Bergbaubetrieben.

Es überrascht nicht, dass die Kupferpreise seit dem Inkrafttreten vieler dieser Maßnahmen um das Jahr 2000 und zusammen mit der steigenden Nachfrage aus anderen Industrien stetig gestiegen sind, weit über die Höchststände der 1960er Jahre hinaus, die potenzielle Hausbesitzer dazu veranlassten, sich zwischen der Installation von Kupfer- oder Aluminiumkabeln zu entscheiden.

Bei diesem Tempo könnten wir in wenigen Jahren das Ende der allgemeinen Nutzung und die einfache Verfügbarkeit von Kupfer erleben. Da sich Kupfer aufgrund seiner Eigenschaften für bestimmte Anwendungen ideal eignet, müssen andere Verwendungszwecke, für die es möglicherweise Alternativen gibt, möglicherweise woanders gesucht werden. Dies würde höchstwahrscheinlich bedeuten, dass alles, von der Hausverkabelung bis hin zur Kundenelektronik, bald aus dem Kupfermarkt verschwunden sein könnte. Welche Alternativen gibt es und wie sind sie im Vergleich zu Kupfer?

Kupfer ist aus mehreren Gründen ein Favorit für elektrische Leitungen, nicht zuletzt wegen seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Aus diesem Grund ist Kupfer ein bevorzugtes Material für Kühlkörper und für die elektrische Verkabelung in Häusern und Elektrogeräten. Im Vergleich dazu hat reines Aluminium im Querschnitt nur 61 % der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer.

Dennoch hat Aluminium gegenüber Kupfer einen großen Vorteil: Aufgrund der Dichte von Kupfer bei Raumtemperatur von 8,96 g/cm3 im Vergleich zu 2,70 g/cm3 für Aluminium ist es gemessen an der Masse doppelt so elektrisch leitfähig. Aus diesem Grund Anwendungen, bei denen das Gewicht eine größere Rolle spielt, wie z. B. Übertragungs- und Verteilungskabel. Besonders bei der Verlegung großer Kabelbündel zwischen Masten bietet das höhere Leitfähigkeits-Gewichts-Verhältnis von Aluminium große Vorteile.

Bei ordnungsgemäßer Installation und Verwendung ist Aluminium als elektrischer Leiter eine gute Wahl, aber das bedeutet nicht, dass es die einzige Option ist. Etwas, das seit den 1970er Jahren in der Verkabelung häufig vorkommt, ist kupferkaschierter Aluminiumdraht (CCA). Das ist im Grunde das, was der Name sagt: ein Aluminiumkern, der mit Kupfer ummantelt ist und somit ein Bimetall darstellt. Das Hauptziel von CCA besteht darin, die Vorteile von Kupfer und Aluminium in einem einzigen Draht zu vereinen, was einer kupferähnlichen Leitfähigkeit entspricht und gleichzeitig die Nachteile von Aluminium vermeidet, da die Installationsmethode die gleiche ist wie bei Kupferdraht.

Wenn wir uns die Spezifikationen ansehen, die Fujikura für CCA (auch CAW genannt) auflistet, können wir erkennen, dass CCA zwar nicht so gut ist wie massiver Kupferdraht, aber deutlich besser als massiver Aluminiumdraht. Wenn wir dazu noch die großen Vorteile hinzufügen, die eine Kupferhaut im Hinblick auf die nahezu vollständige Eliminierung des thermischen Kriechens und die Kompatibilität mit kupferkompatiblen Anschlussmethoden und -technologien mit sich bringt, scheint sie eine gute Alternative zu beidem zu sein.

Interessanterweise konkurriert CCA schon seit einiger Zeit sowohl mit Kupfer- als auch mit Aluminiumkabeln, insbesondere bei Gebäudekabeln, wie in diesem hervorragenden Artikel des IAEI Magazine über die Geschichte der Aluminium-Gebäudekabel erwähnt. Ein wichtiges Detail, das in diesem Artikel hinzugefügt wird, ist, dass die Herstellung von CCA ziemlich arbeitsintensiv ist, was bedeutet, dass seine Popularität immer von den aktuellen Kupferpreisen abhängt.

Die IAEI stellt fest, dass die Kupferpreise bis Ende 2005 noch relativ niedrig waren (wie in der früheren Grafik der historischen Kupferpreise vermerkt), seitdem aber so weit gestiegen sind, dass CCA nun mit Kupfer stark konkurrenzfähig ist.

Wenn es um elektrische Leiter geht, ist CCA nicht der Gipfel der Materialwissenschaft. Kohlenstoffbasierte Strukturen wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) haben eine viel höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, ebenso wie Graphen. Das Hauptproblem besteht darin, dass die Herstellung von Drähten daraus nicht ganz einfach ist. Doch was wäre, wenn sie mit einem Metall wie Aluminium verschmolzen oder sogar zu Drähten gesponnen werden könnten?

Ein Artikel von Lekawa-Raus et al. Das 2014 veröffentlichte Buch „Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring“ untersucht die damalige Forschungsliteratur zur Herstellung von CNT-Fasern, die zu CNT-Drähten gesponnen werden können. Basierend auf der Forschung hätten diese Drähte eine überlegene elektrische Leitfähigkeit und ein höheres Gewicht und würden sowohl Kupfer als auch Aluminium in allen Belangen deutlich übertreffen.

Die Verbindung dieser CNT-Drähte konnte mit einem Kohlenstofflot erfolgen, das damals in Cambridge entwickelt wurde. Dennoch blieben viele Herausforderungen bei der Herstellung einwandfreier CNTs mit der geeigneten Morphologie bestehen, insbesondere bei der Verlagerung von einem Labor in eine industrielle Umgebung. Viele dieser Bedenken bleiben auch im Jahr 2020 bestehen, als Cesano et al. führte eine weitere Übersichtsstudie durch. Sie weisen darauf hin, dass in den vergangenen Jahren zwar Fortschritte erzielt wurden, Vollcarbon-Drähte jedoch immer noch eine Zukunftsperspektive darstellen.

Dennoch sind CNT-Fasern für nicht ganz verrückte Geldbeträge kommerziell erhältlich, ebenso wie CNT-Verbundwerkstoffe mit Kupfer und anderen Metallen wie Silber und Gold. Aktuelle Studien von Zhang et al. (2018), Pradhan et al. (2020) und Chyada et al. (2017) zeigen Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Zugfestigkeit für Graphen-Aluminium-Verbundwerkstoffe.

Der Zusatz von CNTs hat auch in anderen Anwendungen Verwendung gefunden, beispielsweise bei der mechanischen Verstärkung von Aluminiumteilen, wie Nyanor et al. (2020) beschreibt eine Aluminiummatrix, die mit CNTs sowie mikrometergroßen Titankarbidpartikeln (TiC) verstärkt ist. Dadurch entsteht ein Material mit einer 2,3-fach höheren Härte als reinem Aluminium und einer deutlich verbesserten Verschleißfestigkeit.

Das japanische Unternehmen Yazaki hat zahlreiche Patente auf Al-CNT-Verbundwerkstoffe angemeldet, die in kommenden Drahtprodukten verwendet werden sollen. Tirupati Graphite Plc hat inzwischen Behauptungen über einen Al-Graphen-Verbundwerkstoff aufgestellt, der angeblich eine kupferähnliche elektrische Leitfähigkeit, eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und eine bessere Mikrohärte als Kupfer aufweist.

Angesichts der potenziellen Aussicht auf rasant hohe Kupferpreise in den kommenden Jahren scheint es angebracht, die verfügbaren Alternativen genau unter die Lupe zu nehmen. Ob CCA eine akzeptable Alternative zu Kupfer ist, hängt von vielen Faktoren ab, aber angesichts der verfügbaren realen Nutzungsdaten für die Hausverkabelung und andere Anwendungen der letzten fünf Jahrzehnte ist dies zumindest eine bekannte Größe.

Vielleicht noch spannender ist die Aussicht auf Graphen- und CNT-basierte Verkabelung, die im Vergleich zu Kupfer mehr als nur einen Kompromiss bietet. Stattdessen könnte daraus eine Alternative zu Kupfer entstehen, die tatsächlich in jeder Hinsicht besser ist, mit besserer Leitfähigkeit, höherer Zugfestigkeit, höherer Korrosionsbeständigkeit und höherer Leitfähigkeit bei gegebenem Querschnitt und Gewicht.

Aus Sicht eines Bastlers ist CCA aufgrund der Kosten und der einfachen Handhabung wahrscheinlich die wahrscheinlichste Alternative. Da es sich ähnlich wie Kupferdraht verhält und verarbeitet werden kann, einschließlich des Lötens mit Standardlotlegierungen, kann es Kupferdraht mit nur einer kleinen Erhöhung im Durchmesser ersetzen, um die schlechtere elektrische Leitfähigkeit auszugleichen.

Es wäre jedoch ziemlich cool, wenn zukünftige Generationen ihre Projekte mit CNT-Drähten und kohlenstoffbasierten Loten verkabeln würden. Auf mehr Kohlenstoff in unserer Zukunft.