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Elektrochemische Korrosion

Verfasst von Kirsten Panzer am 23. August 2020
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Durch den Schutzleiter des Landstromanschlusses koennen Fremdspannungen an Bord gelangen und diverse Schaeden anrichten. Michael Herrmann beschreibt die moeglichen Schutzvorrichtungen.

Die Lage: Seit 1998 ist laut der DIN EN ISO 13297 – die Norm, nach der die Wechselstromanlage auf sogenannten kleinen Wasserfahrzeugen ausgeführt werden muss – die Erdung dieses Systems gefordert. Es heißt, dass der Schutzleiter – technisch: PE, Farbe grün-gelb – mit der Schiffserde verbunden sein muss. Es gibt allgemein nur vage und sehr allgemein gehaltene Bestimmungen darüber, was nun als Schiffserde benutzt werden darf – es kann zum Beispiel der Minuspol der Bordnetzbatterie oder der Motor sein. Nur bei Yachten mit Metallrümpfen wird die Sache klarer: Es ist der Rumpf!

Über Sinn und Unsinn der Erdung von Metallrümpfen soll hier nicht diskutiert werden. Fest steht, dass an Land durch die Einführung des Schutzleiters in der Mitte des letzten Jahrhunderts die Zahl der Todesfälle durch elektrischen Strom an Land um rund die Hälfte zurückging.

Schutzerdung

Es würde daher kaum jemand auf die Idee kommen, den Schutzleiter in seinem Haus oder in der Wohnung abzuklemmen. Manche – sogar Experten – empfehlen jedoch genau dies auf einer Yacht mit Metallrumpf, besonders auf solchen aus Aluminium. 
Gerne wird dabei argumentiert, dass schließlich der RCD (umgangssprachlich Fi) ausreichend Schutz vor tödlichen Schlägen böte. Dazu nur folgendes: RCD können versagen und machen das auch unverhältnismäßig oft. Ohne Schutzerdung kann zum Beispiel auf dem Metallgehäuse des Toasters die volle Netzspannung stehen, ohne dass eine Sicherung auslöst. Kommt nun ein zweiter Fehler, zum Beispiel im Anschlusskabel, hinzu, sind alle Voraussetzungen für einen tödlichen Unfall erfüllt, ohne dass eine Sicherung oder ein RCD auslöst. Es bleibt dabei: Erdung – oder besser: Schutzerdung muss sein. Alles andere ist grob fahrlässig und nicht nur unter juristischen Gesichtspunkten vollkommen hirnlos.  

 

Elektrolytische Spannungsreihe

In der elektrolytischen Spannungsreihe sind die Metalle nach ihrer „Wertigkeit” sortiert. Edle Metalle stehen dabei höher als unedlere, wobei die „Edeligkeit” durch die Spannung definiert wird, die zwischen den Metallen und einer kalibrierten Elektrode gemessen wird – je höher die Spannung, desto höher die Position in der Spannungsreihe. Die Spannungen liegen in der Regel im Bereich unter 1,5 Volt. Werden nun zwei unterschiedliche elektrisch miteinander verbundene Metalle in eine leitfähige Flüssigkeit getaucht, geht das unedlere in Lösung und wandert zum edleren. Beispiel: Zink und Kupfer. Beides im Elektrolyten „Meerwasser”. Das Zink löst sich im Meerwasser und bildet eine Schicht auf dem Kupfer, das unbeschadet bleibt. So funktionieren Opferanoden („kathodischer Korrosionsschutz”). Andersherum kann sich jedoch ein Alurumpf auflösen, wenn ein ausreichend großes Stück Kupfer (zum Beispiel im Antifouling des Nachbarn) in der Nähe im Wasser liegt – die elektrische Verbindung kann dabei der Schutzleiter herstellen.

 

In der elektrolytischen Spannungsreihe sind die Metalle nach ihrer „Wertigkeit” sortiert. Edle Metalle stehen dabei höher als unedlere, wobei die „Edeligkeit” durch die Spannung definiert wird, die zwischen den Metallen und einer kalibrierten Elektrode gemessen wird – je höher die Spannung, desto höher die Position in der Spannungsreihe. Die Spannungen liegen in der Regel im Bereich unter 1,5 Volt. Werden nun zwei unterschiedliche elektrisch miteinander verbundene Metalle in eine leitfähige Flüssigkeit getaucht, geht das unedlere in Lösung und wandert zum edleren. Beispiel: Zink und Kupfer. Beides im Elektrolyten „Meerwasser”. Das Zink löst sich im Meerwasser und bildet eine Schicht auf dem Kupfer, das unbeschadet bleibt. So funktionieren Opferanoden („kathodischer Korrosionsschutz”). Andersherum kann sich jedoch ein Alurumpf auflösen, wenn ein ausreichend großes Stück Kupfer (zum Beispiel im Antifouling des Nachbarn) in der Nähe im Wasser liegt – die elektrische Verbindung kann dabei der Schutzleiter herstellen.

 

Leiter im Wechselstromsystem

In Wechselstromsystemen gibt es, weil der Strom die Richtung dauernd ändert, kein herkömmliches „Plus” und „Minus”. Zudem gibt es merkwürdigerweise nicht nur zwei, sondern drei Leiter. Unterschieden wird hier zwischen „stromführenden Leitern”, die die Arbeit verrichten, und dem im Regelfall nicht stromführenden Leiter, der der Sicherheit dient. Von den stromführenden Leitern (Außenleiter L1, braun oder schwarz, und Neutralleriter N, blau) führt der Außenleiter Spannung – bei uns 230 Volt, potentiell tödlich – während der Neutralleiter mit dem Schutzleiter verbunden ist und keine Spannung gegen Erde aufweist.

 

Wie kommt denn nun die Elektrolyse ins Schiff? Schauen wir uns die Lage an: Die Yacht ist am Landstrom angeschlossen. Es steckt also ein Stecker - hoffentlich der vorgeschriebene blaue - in einer Steckdose an Land, die auch einen Schutzleiteranschluss enthält. Den Schutzleiter können wir hier – der Norm entsprechend – mit Erde gleichsetzen. Der Schutzleiter kommt im Landstromanschlusskabel aufs Schiff und wird hier – normgerecht – geerdet. Was läuft hier schief? Genau! wir haben zwei Erden! Für die theoretischen Elektriker ist das ziemlich egal und auch nicht einfach zu begreifen, für Magnus Rassy stellt das ein beträchtliches Problem dar. Der Chef von Hallberg Rassy sperrte sich 2012 vehement gegen eine Neufassung der DIN EN ISO 13297, weil aufgrund der geologischen Situation in Schwedens Schären der Unterschied zwischen Erde (Land) und Erde (Schiff) mehrere Volt betragen kann! Vorab: Er scheiterte mit seinem Vorhaben, ein IT-Netz auf Yachten als Alternative zuzulassen. Bei dieser Netzform ist eine Erdung überflüssig, dafür gibt es einen Rattenschwanz an anderen Nachteilen.

Elektrolyse und Galvanik

Was geschieht nun, wenn zwischen Land- und Schiffserde derart gravierende Spannungsunterschiede bestehen? Antwort: Wie immer fließt ein Strom. Dabei ist es zunächst vollkommen egal, wie diese Spannungsdifferenzen entstehen. Es kann, wie in Schweden, an der Geologie liegen. Oder an der geerdeten Spundwand der Marina, deren Rost in der Spannungsreihe höher liegt als das Aluminium des Rumpfers. Oder – wie im Kasten „Elektrolytische Spannungsreihe” – das kupferhaltige Unterwasserschiff des Nachbarn, mit dem man – Achtung, jetzt kommt das Entscheidende – mittels Schutzleiter des Landstromanschlusses verbunden ist. Ohne den zusätzlichen Leiter gehen beide eingetauchten Metalle   im Meerwasser in Lösung, bis sich relativ zügig ein Gleichgewicht zwischen den im Meerwasser gelösten positiv geladenen Metallionen und den im Metall zurückbleibenden negativ geladenen Elektronen bildet. Es entstehen so praktisch keine Schäden. Kommt nun besagte zusätzliche Verbindung – unser Schutzleiter – hinzu, gerät das Gleichgewicht aus den Fugen. Die im unedleren Metall (Aluminium) im Überfluss vorhandenen Elektronen wandern durch den Leiter zu dem edleren Metall, wodurch einerseits mehr Aluminiumionen in Lösung gehen, während der Prozess auf der Kupferseite praktisch zum Stillstand kommt. Folge: Der Aluminiumrumpf löst sich auf – zumindest teilweise – und wird so ein Opfer der galvanischen Korrosion. Der komplette Stromkreis sieht nun so aus: Die Elektronen aus dem Alurumpf fließen durch den Schutzleiter zum Rumpf und somit Unterwasserschiff mit Kupferantifouling. 

Daraus ergeben sich drei mögliche Schutzmaßnahmen gegen diese so genannte galvanische Korrosion: Den Landstromanschluss unterbrechen (Stecker ziehen), eine galvanische Trennung des Landnetzes vom Bordnetz mittels eines Trenntransformators, oder – und hier kommen die galvanischen Isolatoren ins Spiel – den Schutzleiter für kleine Gleichspannungen zu sperren, ohne dessen Funktion zu beeinträchtigen.

Galvanische Isolatoren (Zinc Saver)

Auf diese Idee konnte nur ein Brite kommen: Bei diesen Geräten wird eine an sich unerwünschte Eigenschaft von Dioden „missbraucht”. Dioden sind elektronische Ventile, die Strom nur in eine Richtung durchlassen. Wird Wechselstrom hindurchgeschickt, kommt jeweils nur eine Halbwelle auf der anderen Seite an – aus Wechsel- wird Gleichstrom. Diese Eigenschaft wird auf Yachten gerne bei den sogenannten „Trenndioden” ausgenutzt, bei dem der Ladestrom zwar von der Lichtmaschine zu Starter- und Bordnetzbatterie fließen kann, jedoch nicht zurück oder zur jeweils anderen Batterie. Der Haken dabei: Es geht ein wenig Spannung verloren. Diese Spannung, die „Schwellspannung” ist gleichzeitig die kleinste Spannung, die eine Diode durchlässt und beträgt bei Siliziumdioden etwa 0,7 Volt. 

Die geniale Idee bestand nun darin, zwei (später 2 mal 2) Dioden antiparallel in den Schutzleiter zu schalten. So kann keine Spannung durch den Leiter fließen, die unter 0,7, oder mit 4 Dioden, 1,4 Volt liegt, während die für die Funktion des Schutzleiters wichtige Spannung von 230 Volt ungehindert durchgelassen wird. Das heißt nichts anderes, als dass alle Spannungen im Bereich, in dem sich galvanische Ströme tummeln, blockiert werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.

 

Galvanische Stromkreise

Ist die Yacht am Landstrom angeschlossen, besteht über den Schutzleiter eine direkte Verbindung zwischen Land- und Schiffserde. Ist das Bordnetz entsprechend DIN EN ISO 13297 geerdet – also mit dem umgebenden Wasser verbunden –, entsteht so ein geschlossener Stromkreis, der aus dem an Land geerdeten Schutzleiter, den geerdeten Teilen an Bord und dem Wasser besteht. Durch diesen Stromkreis können galvanische Ströme fließen, die zum Beispiel durch Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischen Potenzial im Unterwasserbereich entstehen. Bei diesem Vorgang löst sich das unedlere Metall auf – in unserem Beispiel würde ein Aluminiumrumpf zur Opferanode, da der Stahl der Spundwand in der Spannungsreihe höher steht. Liegen mehrere Yachten nebeneinander, können auch zwischen diesen galvanische Ströme fließen. Da die Spannungsdifferenzen zwischen den Metallen in der Regel unter 1,5 Volt liegen, kann ein in den Schutzleiter eingefügter Galvanischer Isolator die Ströme blockieren. 

Galvanische Isolatoren sollen korrosionsfördernde galvanische Ströme durch den Schutzleiter verhindern. Sie werden in den Schutzleiter zwischen Land- und Bordnetz eingesetzt, wobei der Schutzleiter unterbrochen wird, was – im Gegensatz zu den Vorschriften der VDE 0100 – nach der neuen DIN EN ISO 13297 (Wechselstromanlagen auf kleinen Wasserfahrzeugen) zulässig ist.

Eine Eigenart von Dioden ist, dass sie erst bei einer bestimmten Spannung leitend werden – unter diesem Spannungswert, der sogenannten Schwellspannung, lassen sie keinen Strom durch. Werden zwei oder vier Dioden antiparallel (gegensinnig geschaltet) in den Schutzleiter eingefügt, lassen sie zwar im Fehlerfall die 230 Volt Wechselspannung in beide Richtungen durch, so dass die Funktion des Schutzleiters gewährleistet ist. Die durch das elektrochemische Potenzial der Metalle verursachten Spannungen, die nur wenige Volt betragen, werden jedoch blockiert.

Mit Trenntransformatoren läßt sich eine komplette und vor allem saubere galvanische Trennung von Land- und Bordnetz erreichen. Die Energieübertragung erfolgt mittels Induktion über zwei isolierte Kupferlackdrahtspulen, die auf einem gemeinsamen Eisenkern sitzen: Die wechselstromdurchflossene landseitige Wicklung induziert in dem Eisenkern des Transformators ein mit der Spannung wechselndes Magnetfeld, das wiederum in der bordseitigen Wicklung eine Spannung erzeugt – es gibt keine direkte leitende Verbindung zwischen Land- und Bordnetz. Dies hat zwei Vorteile: Zum einen wird aus einem nicht polarisierten Landnetz (L1 und N können zum Beispiel durch ungeeignete Steckverbinder vertauscht sein) ein polarisiertes Bordnetz, in dem Außen- und Neutralleiter eindeutig festliegen. Zum Zweiten können über den Schutzleiter keine galvanische Ströme fließen, da das Bordnetz einen eigenen Schutzleiter und keine Verbindung mehr zum landseitigen Schutzleiter hat.

 

Dies war – und ist – nach VDE 0100 nicht zulässig. Demnach darf der Schutzleiter nicht unterbrochen werden, auch nicht durch Dioden. Auf Betrieben der USA und der Briten gelang es jedoch, einen entsprechenden Zusatz in die bereits mehrfach erwähnte Norm für kleine Wasserfahrzeuge aufzunehmen, so dass es nun auch in Deutschland legal ist, einen galvanischen Isolator einzubauen.

Dieser muss jedoch „fail safe” sein, also auch nach zum Beispiel einer extremen Überlast durch Blitzschlag die Schutzleiterfunktion weiter erfüllen. Ob die korrosionsverhindernde Trennfunktion auch erhalten bleiben muss, wurde nicht festgelegt. Alternativ – also wenn das Gerät nicht „fail safe” ist – muss die Funktionsfähigkeit, oder besser deren Ausfall, optisch oder akustisch angezeigt werden. 

Fast alle auf dem deutschen Markt erhältlichen Geräte, die auch als „Zinc Saver” angeboten werden, erfüllen diese Forderung nicht. Zertifizierte Geräte, erkennbar entweder an dem Aufdruck „EN ISO 13297” oder „ABYC certified” oder einer entsprechenden Zulassung einer Klassifikationsgesellschaft können teurer werden als ein Trenntransformator.

Ein kleiner Nachteil der galvanischen Isolatoren besteht darin, dass Fremdspannungen über 1,6 Volt durchgelassen werden, zum Beispiel 12 Volt infolge eines Fehlers in der Gleichstromanlage, die katastrophale Folgen haben können. Uneinigkeit besteht unter Experten auch darüber, ob überlagerte Gleichspannungen vielleicht doch durchgelassen werden, heißt, wenn eine Fremdwechselspannung von beispielsweise 6 Volt auftritt, die von den Dioden durchgelassen wird, nicht auch eine gleichzeitig vorhandene Gleichspannung von zum Beispiel 1,2 Volt sozusagen huckepack mitnimmt. Für diesen Fall werden Isolatoren mit Kondensatoren angeboten, die diese Gleichspannungen sperren sollen. Ob das so funktioniert – darüber streiten die Gelehrten.

Fazit: Auch wenn galvanische Isolatoren nicht exorbitant teuer sind, lohnt sich der Einsatz aufgrund des beschränkten Wirkungskreises in der Regel eher nicht. Für Eigner. Für die Hersteller jedoch schon: Die Kosten der für die Funktion zuständigen Teile liegt im Centbereich, die Mechanik im einstelligen Eurobereich. 

Trenntransformatoren

Transformatoren gibt es seit gefühlt ewigen Zeiten. Üblicherweise werden sie eingesetzt, um Spannungen zu erhöhen oder zu reduzieren, etwa von der Hochspannungsleitung zum Hausanschluss. Bei Trenntransformatoren sind Ein- und Ausgangsspannung gleich, sie sollen nur die „galvanische Trennung” zweier Stromkreise bewirken. 

Das können sie wesentlich besser als die „Galvanischen Isolatoren”. Sie bestehen aus zwei Kupferwicklungen auf einem Eisenkern. Fließt ein Strom durch eine der Wicklungen, magnetisiert diese den Kern, der dann eine Spannung in die zweite Wicklung induziert. So hat man zwei Stromkreise – Primär und Sekundär – ohne jede direkte leitende Verbindung. 

Transformatoren sind für Gleichspannungen vollkommen undurchlässig. Fremdspannungen haben keine Chance. Der Clou ist: Die Landerde kann bleiben, wo sie ist – an Land – und an Bord kann eine eigene Erde geschaffen werden, die mit der wirklichen Erde, also dem Wasser um das Boot herum, übereinstimmt. 

Dies hat, neben der sicheren galvanischen Trennung, noch einige weitere Vorteile. Man hat ein sogenanntes polarisiertes System an Bord, braucht mithin nur die jeweiligen Außenleiter in den Verbraucherstromkreisen abzusichern (ganz wie zu Hause) und ist trotzdem vor Fehlern in der landseitigen Elektroinstallation sicher. Die Position von Außenleiter, Neutralleiter und Schutzleiter werden an Bord und nicht von erfahrungsgemäß nicht immer zuverlässigen Marinaelektrikern bestimmt. 

Nachteile: Trenntransformatoren sind etwas teurer als gute galvanische Isolatoren und um einiges schwerer. Und größer. Dafür bieten sie einen ungleich höheren Gewinn an Sicherheit – nicht nur vor Korrosion.

Michael Hermann

Text und Zeichnungen), 

 yachtinside.de


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