Wasser statt mehr Kupfer Hochstromkabel durch Kühlung beweglich halten

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Schon vor 60 Jahren verhinderten wassergekühlte Leiter, dass hohe Ströme immer dickere Kabel erforderten. Heute kehrt dieselbe Technik an der Schnellladesäule zurück – getrieben von Ladezeiten, Rohstoffen und der Forderung nach beweglichen Ladekabeln.

Bereits vor mehr als 60 Jahren übertrugen wassergekühlte Kabel Ströme von mehreren Tausend Ampere. Die Kühlung verringerte den erforderlichen Leiterquerschnitt und hielt die Kabel trotz hoher Belastung flexibel. Heute löst dasselbe Prinzip einen ähnlichen Zielkonflikt an Schnellladesäulen.

Hohe Ströme verlangen große Leiterquerschnitte. Andernfalls steigen die ohmschen Verluste und mit ihnen die Temperatur des Kabels. Mehr Kupfer begrenzt die Erwärmung, macht ein Kabel jedoch dicker, schwerer und steifer. Was heute die Entwickler von Schnellladesystemen beschäftigt, war bereits Ende der 1950er- und Anfang der 1960er-Jahre ein Thema – allerdings in Kraftwerken, Forschungsanlagen und Generatorprüfständen.

Ein damaliger Fachbeitrag über „wassergekühlte Hochspannungs-Starkstromkabel“ beschreibt Anlagen des britischen Unternehmens Associated Electrical Industries. Die Kabel sollten hohe Ströme übertragen, ohne die Abmessungen konventioneller Stromschienen oder parallel verlegter Kabel zu erreichen.

Wasserleitung im Kupferleiter

Das Grundprinzip ähnelt heutigen gekühlten Ladekabeln: Ein Kühlmedium strömt entlang des stromführenden Leiters und transportiert die entstehende Wärme zu einem Wärmetauscher. Dadurch kann der Leiter bei gleichem Strom kleiner dimensioniert werden, als es bei einer rein passiven Kühlung möglich wäre. Bei einem Kabel für das Protonen-Synchrotron der Universität Glasgow bestand der Leiter aus emaillierten Kupferdrähten, die um eine Wasserleitung gewunden waren. Zwei einadrige Kabel mit jeweils 3,2 cm² Leiterquerschnitt arbeiteten parallel. Eine Wasserströmung von rund 10 l/min begrenzte die maximale Leitertemperatur auf 60 °C.

Über die Verbindung flossen im Normalbetrieb 2.200 A Gleichstrom. Hinzu kam ein Impulsstrom mit Spitzenwerten von 3.000 A. Der historische Beitrag nennt daraus eine geschätzte effektive Belastung von 2.265 A. Das Kabel war seit Oktober 1958 nahezu ununterbrochen in Betrieb.

6.000 Ampere am Generator

Eine weitere Anlage verband einen 120-MVA-Generator über eine Strecke von 40 m mit dem zugehörigen Transformator. Bei 13,8 kV und 50 Hz mussten die Kabel dauerhaft 6.000 A führen. Für jede Phase wurden zwei parallel geschaltete einadrige Kabel mit jeweils 6,5 cm² Leiterquerschnitt eingesetzt. Pro Kabel strömten rund 8 l/min Kühlwasser.

Die Wasserkühlung ermöglichte nach damaliger Darstellung kleinere Leiterabmessungen und reduzierte die Zahl der benötigten Kabel. Gerade in Kabelschächten von Wasserkraftwerken war das von Bedeutung: Weniger Leitungen bedeuteten kleinere Schächte und damit geringeren baulichen Aufwand. Die Kühlung machte die Stromtragfähigkeit außerdem weniger abhängig von den Umgebungsbedingungen. Bei konventionellen Leitern entscheidet die Wärmeabgabe an Luft, Erdreich oder angrenzende Bauteile wesentlich darüber, welcher Strom dauerhaft zulässig ist. Ein geschlossener Wasserkreislauf kann die Wärme dagegen gezielt abführen. In Kraftwerken ließ sie sich über Wärmetauscher teilweise weiterverwenden.

Bis zu 15.000 Ampere und dennoch flexibel

Besonders hohe Anforderungen stellte ein Prüfstand für große Turbinengeneratoren. Dort waren die Kabel für maximal 15.000 A bei Spannungen bis 25 kV ausgelegt. Zudem mussten sie symmetrische Kurzschlussströme von bis zu 100.000 A für acht Sekunden verkraften.

Zum Einsatz kam ein einadriges Kabel mit einem Leiterquerschnitt von 12,9 cm². Rund 64 l Wasser pro Minute und Kabel begrenzten die maximale Wassertemperatur. Trotz des hohen Stroms blieben die kleeblattförmig verlegten Kabel so flexibel, dass sie um Ecken geführt werden konnten. Genau diese Verbindung aus hoher Stromtragfähigkeit und Beweglichkeit ist auch für heutige Ladesysteme entscheidend.

Das Problem kehrt an der Ladesäule zurück

Bei der Gleichstrom-Schnellladung soll möglichst viel Energie in kurzer Zeit in die Batterie gelangen. Höhere Batteriespannungen senken zwar den Strom, der für eine bestimmte Leistung erforderlich ist. Dennoch arbeiten leistungsfähige HPC-Ladesysteme mit mehreren Hundert Ampere. Bei schweren Nutzfahrzeugen steigen die angestrebten Ladeleistungen und Ströme nochmals deutlich.

Ein entsprechend dimensioniertes, ungekühltes Kupferkabel könnte diese Ströme übertragen. Es wäre jedoch schwer und steif. Das Ladekabel muss sich von unterschiedlichen Personen bewegen, zum Fahrzeug führen und am Ladeanschluss positionieren lassen. Sein Gewicht und sein Biegeradius setzen der technisch möglichen Vergrößerung des Kupferquerschnitts daher praktische Grenzen.

Flüssigkeitsgekühlte Ladekabel führen die Wärme gezielt aus den Leitern und teilweise auch aus dem Stecksystem ab. Dadurch lassen sich hohe Ströme mit kleineren Leiterquerschnitten übertragen. Phoenix Contact gibt für seine zweite Generation gekühlter CCS-Ladekabel Leistungen bis 1.000 kW an. Die konkrete Strombelastbarkeit hängt dabei unter anderem von Spannung, Umgebungstemperatur, Kühlsystem und zulässiger Kontakttemperatur ab.

Nicht automatisch weniger Verlust

Die Kühlung hebt die physikalischen Zusammenhänge nicht auf. Wird der Leiterquerschnitt reduziert, steigt der elektrische Widerstand. Die Verlustleistung wächst mit dem Quadrat des Stroms: P_V = I² R

Eine aktive Kühlung verhindert eine unzulässige Erwärmung, beseitigt die Verluste aber nicht. Zusätzlich benötigen Kühlmittelpumpe und Wärmetauscher Energie. Ein dünnerer, gekühlter Leiter muss deshalb nicht effizienter sein als ein dickeres, ungekühltes Kabel. Der Nutzen liegt vor allem in der höheren Leistungsdichte. Weniger Kupfer reduziert Materialeinsatz, Gewicht und Kabeldurchmesser. Gleichzeitig bleiben Kabel und Stecker trotz hoher Strombelastung handhabbar. Dem stehen ein komplexeres System, zusätzliche Komponenten sowie mögliche Fehlerquellen wie Pumpenausfall, Undichtigkeiten oder eine nachlassende Kühlleistung gegenüber.

Vor mehr als 60 Jahren half die Wasserkühlung dabei, Generatoren, Transformatoren und Forschungsanlagen platzsparend miteinander zu verbinden. Heute soll sie hohe Ladeleistungen ermöglichen, ohne dass das Ladekabel zu einer kaum beweglichen Kupferstange wird. (mr)

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