Amorph statt Blech


Netztransformatoren aus Standardblech sind immer noch extrem günstig, weswegen es in der EU immer noch rund 4,6 Millionen Stück davon geben soll. Leider verursachen Sie Verluste von ungefähr 39 TWh pro Jahr - etwa der Energieverbrauch eines kleineren Landes. Wie lässt sich das verringern?


NetztransformatorMeist sind es die versteckten Verbraucher wie zum Beispiel Netztransformatoren, die unnötig viel der kostbaren Energie vergeuden. Zieht man noch die stetig wachsende Weltbevölkerung und den damit verbundenen steigenden Energieverbrauch in Kalkül, so macht dies den zeitnahen Einsatz energieeffizienter Produkte erforderlich, um den künftigen Energiebedarf decken zu können. Mithilfe von neuen Technologien lassen sich versteckte Verbraucher zum Großteil eliminieren.

Die in einem Transformator entstehenden Verluste lassen sich in zwei Kategorien gliedern:

  • Leerlauf- oder Eisenverluste, verursacht durch Ummagnetisierung und Wirbelströme im Kern, sowie
  • Last- oder Kupferverluste, verursacht durch ohmsche Verluste in den Leitern, die quadratisch mit dem Laststrom zunehmen.

Die Eisenverluste sind permanent nach dem Anlegen der Betriebsspannung vorhanden und konstant, während die Kupferverluste mit der Belastung am Ausgang des Transformators steigen. Die meisten Groß- beziehungsweise Netztransformatoren arbeiten nur selten unter Volllast; über die Lebensdauer liegt die Belastung hier sogar nur im Bereich von etwa 20% der Nennlast, sodass die Kupferverluste hier relativ gering sind und die Eisenverluste überwiegen. Infolgedessen liegt der Schlüssel, um energieeffiziente Transformatoren zu entwickeln, in der Reduktion der Eisenverluste.


Eisenverluste reduzieren


Bei Tauscher wird dies durch die Verwendung von amorphem Kernmaterial erreicht. Amorph ist ein Festkörper dann, wenn er molekular nicht wie ein Kristallgitter aufgebaut ist. Die Atome haben somit keine geordnete Struktur, sondern bilden unregelmäßige Muster - es existiert keine Fernordnung. Deswegen hat dieses Kernmaterial im Vergleich zum Standard-Trafoblech erheblich geringere Eisenverluste, sodass hierdurch die Gesamtverluste sinken.
Tabelle 1 zeigt die Verlustleistungen eines unter Volllast betriebenen Drehstromtransformators für 500 kVA mit unterschiedlichen Kernmaterialien.


verlustreduziert


Material

Kupferverluste/W

Eisenverluste/W

Induktion/T

Wirkungsgrad/%

Fe-Si 0,35

1602

2696

1,5

99,06

Fe-Si 0,30

1599

2442

1,5

99,12

amorph SA1

2916

174

1,2

99,33

Drehstromtrafo EI 800/800/400 mit 500 kVA und versch. Kernmaterialein unter Volllast.


Optimierte Kerngeometrie


Gegenüber dem Standard-Trafoblech hat das amorphe Kernmaterial um den Faktor 15 geringere Eisenverluste - Verluste, die direkt in die Energiebilanz des Transformators eingehen. Auffallend beim amorphen Kernmaterial ist jedoch die im Vergleich zum Standard-Trafoblech reduzierte Induktion, die materialbedingt auf etwa 1,2 T (Tesla) beschränkt ist. Dies hat zur Folge, dass bei der Verwendung von amorphem Kernmaterial im Vergleich zum Standard-Trafoblech der Kupfereinsatz höher ist, also mehr Windungen aufgebracht werden müssen. Mehr Windungen bedeuten im Umkehrschluss wieder erhöhte Kupferverluste. Betrachtet man jedoch die Gesamtverluste (Kupfer- plus Eisenverluste), so stellt man fest, dass die Verluste trotz niedrigerer Aussteuerung bei den amorphen Kernen um circa 40% geringer sind - ein enormes Energiesparpotenzial.Gesamtverluste
Wie bereits erwähnt, laufen große Netztransformatoren nur selten unter Volllast. Genau dieser Umstand bringt weiteres Sparpotenzial mit sich, da beim Betrieb im Teillastbereich auch die Kupferverluste sinken und damit die Gesamtverluste bei gleichbleibenden Eisenverlusten erheblich sinken (Eisenverluste sind stets lastunabhängig). Das Bild rechts zeigt den Zusammenhang der Verluste in Abhängigkeit von der Belastung eines Drehstromtransformators mit 200 kVA. Bei einer Belastung von 20% der Nennlast liegen die Gesamtverluste beim Standardkern bei circa. 1200 W, beim amorphen Kern lediglich bei 450 W. Über einen 24-h-Tag hinweg spart er also
18 kWh, bei einem Strompreis von durchschnittlich 0,28 €/kWh spart er etwa 1840 Euro pro Jahr.
Leider sind die Kosten für diese großen amorphen Kerne derzeit noch relativ hoch, sodass die Preise dieser energieeffzienten Netztransformatoren derzeit noch deutlich über denen der Standard-Netztransformatoren liegen. Rechnet man jedoch das jährliche Sparpotenzial gegen den höheren Kaufpreis, so armortisiert sich der höhere Preis in rund drei bis vier Jahren. Da die Lebenszeit von Netztransformatoren jenseits von 15 Jahren liegt, kann die Ersparnis sogar die gesamten Investitionskosten betragen. Derzeit geht die Entwicklung bei den Kernherstellern weltweit in Richtung kostenreduzierter Herstellungsprozesse bei amorphen Kernen, sodass diese Art der energieeffizienten Transformatoren zukünftig noch sehr hohes Anwendungspotenzial finden kann.


KerngeometrieNicht ganz so effektiv wie der Einsatz von amorphen Kernmaterialien jedoch ebenfalls erwähnenswert, ist das Senken der Eisenverluste durch gezieltes Optimieren der Kerngeometrie unter Verwendung von Standard Trafoblech. Das Bild links zeigt einen Drehstromtransformator mit 200 kVA, bei dem der Kern mithilfe einer Stufengeometrie realisiert wurde. Da bei der rechteckigen Kerngeometrie der Standardtransformatoren die Dichte des Magnetfelds eher gering ist, verzichtet die Stufengeometrie gezielt auf die Ecken. Dadurch wird der Magnetquerschnitt optimal ausgenutzt, und durch die reduzierte Eisenmenge nehmen auch die Eisenverluste ab - weniger Eisen = weniger Eisenverluste. Aufgrund der für das Aufbringen der Wicklung optimalen runden Kerngeometrie - verringerte Wickellänge = weniger Kupfereinsatz - sinken auch die Kupferverluste. Durch diesen optimierten Aufbau verringern sich die Verluste um 15% gegenüber der Standardgeometrie.


RingkerntransformatorDer Vollständigkeit halber sollte man noch die Dreiphasen-Ringkerntransformatoren für das Segment kleinerer Leistungen bis etwa 30 kVA erwähnen. Deren Kernmaterial besteht ähnlich wie bei den amorphen Kernen aus Bandmaterial geringer Materialstärke. Die einzelnen Bandwicklungen werden bei der Herstellung der Kerne miteinander verklebt, wodurch diese Kerne eine geringe Magnetostriktion zeigen. Dadurch steigt der Wirkungsgrad und infolgedessen sinken die Verluste. Daher gelten sie als energieeffiziente Alternative zu Kleintransformatoren aus Standard-Trafoblech.

Die Grafik unten zeigt den Zusammenhang zwischen Belastung und Gesamtverlusten bei einem Dreiphasen-Ringkerntransformator mit 30 kVA.

Leider übt der Markt nach wie vor einen enormen Preisdruck auf die Hersteller aus, sodass letztlich die Kaufentscheidung doch eher für die Standardtransformatoren fällt - man nimmt den hohen Anteil an Verlusten und den damit verbundenen hohen Energieverbrauch in Kauf, um möglichst günstige Produkte zu erwerben. Da ist der Weitblick des Anwenders gefragt, er sollte sein Augenmerk mehr auf die kompletten Lebenszykluskosten legen. Doch auch weitere Entwicklungen im Hinblick auf optimierte Fertigungsprozesse und dadurch Kostenreduktion sollten in Zukunft die Preise für energieeffiziente Transformatoren senken und diese Produkte für den Markt attraktiver machen.

Autor: Daniel Mandl
Tätig in der Entwicklung bei Tauscher Transformatoren.

Ersparnis Transformator

 

Vorteile energieeffizienter Trafos

  • hoher Wirkungsgrad
  • energieeffizient durch geringe Leerlauf- und Teillastverluste
  • geringe Erwärmung (Kapselung in IP54-Gehäusen möglich)
  • hohe Wirtschaftlichkeit (reduzierte Verluste sparen Energiekosten)
  • umweltfreundlich (reduzierte Verluste sparen Energiekosten und reduzieren CO2-Ausstoß)
  • niedriger Geräuschpegel
  • kundenspezifischer Aufbau möglich
  • Amortisation des Mehrkostenaufwands durch Energieeinsparung innerhalb kurzer Zeit
  • Erfüllung aller relevanten Normen

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