E-Power

Basics of »Electrical power engineering«

Elektrischer Strom wird für zwei grundverschiedene Dinge genutzt:
  • Zur Übertragung und Verteilung von Energie,
  • zur Übertragung und Verarbeitung von Daten, Nachrichten und Informationen.

Hier ist zunächst vom erstgenannten Bereich die Rede – auch wenn dieser heute oftmals als etwas altbacken, herkömmlich und traditionsgeprägt angesehen wird. Er erfordert hohe Spannungen und starke Ströme, denn die übertragene Leistung errechnet sich aus Spannung mal Strom. Wie die Spannung diesen Strom dorthin zum Fließen bringt, wo die Energie gebraucht wird, ist und bleibt aber eine spannende und vielseitige Geschichte.

Der zweite Bereich macht in den letzten Jahrzehnten zusehends mehr von sich reden und gilt als modern, wachstumsorientiert, zukunftsträchtig und wimmelt von Innovationen. Dabei ist dies das ältere, das erste Anwendungsgebiet der Elektrizität überhaupt. Es begnügt sich mit kleinen, kleinsten, teilweise winzigen Spannungen und Strömen, doch auch die müssen erst einmal bereit gestellt werden. Ohne »Saft« läuft gar nichts. Gleichzeitig ist es gerade die elektronische Übertragung und Verarbeitung von Daten und Nachrichten, die zwar »Saft zieht«, aber gleichzeitig die Versorgung mit demselben am Laufen hält und seinen Einsatz optimiert. Damit sich die Zuwachsraten beim Bedarf nach elektrischer Energie auch nur halbwegs im Rahmen (z. B. des Kyoto-Protokolls) halten, ist eine Optimierung der Effizienz nicht nur in den Anwendungen, sondern auch in den Anlagen zur Übertragung und Verteilung dringend erforderlich.

Leider bringen starke Ströme starke magnetische Felder mit sich. Hohe Spannungen sind gleichbedeutend mit starken elektrischen Feldern. In benachbarten Metallteilen erzeugen diese Felder wieder Spannungen bzw. Ströme. Gerade auf der Erzeugung solcher Felder und deren »Auffangen« und Rückverwandlung in Spannungen bzw. Ströme beruht aber die drahtlose Übertragung von Informationen. Wenn das alles gut geht, dann nennt man das elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Davon wird in letzter Zeit so viel geredet und geschrieben, dass man sofort weiß, wie viel hier im Argen liegt.

Das Thema Licht liegt dazwischen. Dass das Licht effizient brennt, also z. B. nur dann, wenn es gebraucht wird, ist das eine; dass es nicht flackert, nicht im unpassendsten Moment ausgeht und auch keine empfindlichen nachrichtentechnischen Einrichtungen und Betriebsmittel stört, ist das andere. Ein dritter Aspekt ist, wie viel Effizienz man beim Licht durch schlechtere Qualität einkaufen kann oder möchte und umgekehrt.

Daneben darf ein Hinweis nicht fehlen, dass Elektromobilität zwar das absolute Modethema, aber

  • weder neu,
  • noch an die Straße gebunden ist.

Auf der Schiene gibt es sie schon seit weit über 100 Jahren und hat sich dort bestens bewährt. Wir wollen herausfinden, warum sie sich dann auf der Straße so schwer tut.

Damit Sie und Ihre Geschäftspartner diese Informationen optimal nutzen können, haben wir sie hier in elektronischer Form für Sie zur Verfügung gestellt,

denn was man schwarz auf weiß besitzt,
kann man getrost nach Hause tragen,
doch was man sich in Platten ritzt,
das kann man auch durch Netze jagen!

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Energie – was ist das überhaupt?

Gemäß der Darstellung des an Einfachheit und Verständlichkeit interessierten Physiklehrers ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Andererseits ist dies auch wieder eine Tautologie (»Regen ist, wenn’s regnet«), denn Arbeit und Energie sind physikalisch das Gleiche. Für die orthodoxen Physiker ist Arbeit eher eine Erscheinungsform der Energie. Korrekt wäre die Formulierung, dass man Energie benötigt, um Arbeit zu verrichten. Der Begriff Arbeit wird also meistens benutzt, wenn Energie umgewandelt wird, denn es gibt verschiedene Formen von Energie, aber die Anzahl »Sorten« ist überschaubar. Es handelt sich um:

  • Mechanische Energie
  • Wärme
  • Licht
  • Chemische Energie
  • Kernenergie
  • Magnetische Energie
  • Elektrische Energie.

Um Letztere soll es hier gehen, wenn wir allgemein von Energie sprechen, doch zu deren Verständnis ist auch ein gewisses Grundverständnis der anderen Formen notwendig, denn Elektrizität kommt in der Natur nicht vor – einmal abgesehen von der sehr unhandlichen, weitaus mehr Schaden als Nutzen anrichtenden Darreichungsform eines gelegentlichen Gewitters. Elektrizität muss daher stets mehr oder weniger künstlich durch Umwandlung aus einer anderen Energieform gewonnen werden. Als Ausgangsform hierzu dient zumeist die mechanische Energie. Bei dieser wird zusätzlich noch zwischen der potenziellen und der kinetischen Energie unterschieden:

  • Kinetische Energie ist Bewegungsenergie: Wenn eine Masse sich bewegt, enthält sie Energie. Um die Masse in diesen Zustand zu versetzen, also zu beschleunigen, muss Energie aufgewendet werden.
  • Potenzielle Energie oder Lageenergie ist in Körpern enthalten, die einem Kraftfeld ausgesetzt sind, so etwa elektrisch geladene Teilchen in einem elektrischen Feld, Körper aus ferromagnetischen Stoffen (Eisen, Nickel, Kobalt) in einem magnetischen Feld. Zumeist jedoch handelt es sich um irgendwelche Massen innerhalb des Gravitationsfeldes der Erde, die sich oberhalb der Erdoberfläche aufhalten und potenziell herunter fallen, rollen, fließen oder fliegen könnten. Die Masse würde dabei beschleunigt und würde mit kinetischer Energie aufgeladen. Die potenzielle würde so in kinetische Energie umgewandelt. Solange wir unter »oberhalb« nicht mehr verstehen als den Mount Everest und von Bohrlöchern in Richtung Erdmittelpunkt absehen, können wir das Gravitationsfeld und somit die Schwerkraft als konstant (nur proportional zur angezogenen Masse) ansehen. Wenn die Physiker auf 13 Stellen nach dem Komma messen und noch viel genauer rechnen können, lassen die Techniker sie dabei in Ruhe gewähren und freuen sich, wenn auf ihrem technischen Messgerät, das schon teuer genug war, die dritte Stelle noch kein Schätzwerk ist.

Und so lässt sich im Prinzip jede Energieform in jede andere umwandeln. Zum Teil laufen diese Umwandlungen auch in der Natur ab. In der Praxis gelingt dies aber meist nur unvollkommen: Ein Teil wird stets gar nicht oder aber in eine andere als die gewünschte Energieform umgewandelt. Insbesondere sämtliche thermischen Kraftwerke leiden hieran, denn schon rein theoretisch ist der vollkommenen Umwandlung von Wärme in andere Energieformen ein physikalischer Riegel vorgeschoben, der von der verwendeten Temperatur-Differenz abhängt. Die Praxis fällt dann noch einmal dahinter zurück.

Was auf dem Papier aber immer mit Leichtigkeit gelingt, ist die Umrechnung von einer Energieform in eine andere. Die einzige Bedingung ist, dass die Energie oder Leistung (Leistung ist Energie pro Zeit) in physikalischen Grund-Einheiten (SI-Einheiten; MKS-System) – Meter, Kilogramm, Sekunde – angegeben werden (merkwürdigerweise ist nicht das Gramm, sondern das Kilogramm die physikalische Grund-Einheit). Hieraus lassen sich erstaunlicherweise alle anderen Einheiten herleiten. Sind nicht alle Größen in diesen oder hieraus abgeleiteten Einheiten angegeben, so müssen sie gemäß den gültigen »Wechselkursen« in SI-Einheiten umgerechnet werden, um verschiedene Energieformen miteinander vergleichen zu können. Zum Glück wurden diese »Wechselkurse« niemals an irgendwelchen Börsen gehandelt, sondern sind von Anfang an fix gewesen, wie zuletzt die D-Mark zum Euro. Es war aber früher üblich, jede Form von Energie in einer anderen Einheit anzugeben, Wärme in Kalorien [cal], mechanische Energie in Kilopondmeter [kpm] und elektrische Energie in Kilowattstunden [kWh]. Dabei war:

  • 1 cal die Wärmemenge, die notwendig ist, um 1 g Wasser um 1 Kelvin [K] zu erwärmen,
  • 1 kp die Kraft, mit der eine Masse von 1 kg zur Erde hin angezogen wird,
  • 1 kWh die Menge elektrischer Energie, die ein elektrisches Verbrauchs- oder Erzeugungsmittel mit einer Leistung von 1 kW (1000 W) während einer Betriebsstunde verbraucht bzw. erzeugt.

Dabei wurden das Kilopond und das Kilogramm im Alltagsgeschäft häufig verwechselt bzw. alternativ verwendet, was physikalisch falsch ist, aber für den »Hausgebrauch« so lange nicht schadet, wie man sich auf der Erdoberfläche bewegt. Ein Gegenstand von 1 kg wiegt auf der Erde immer 1 kp. Auf dem Mond dagegen hätte er immer noch eine Masse von 1 kg, aber nur noch ein Gewicht von 1/6 kp. Die Reise dorthin sprengt aber deutlich den Rahmen des »Hausgebrauchs«.

Man sieht, dass diese Einheiten für ihren jeweiligen Anwendungsbereich sehr passend ausgewählt waren, aber im Zuge der »Globalisierung« der energetischen Größen war ein Einheitsmaß gefordert, um das ständige Umrechnen zu erübrigen. Aus den SI-Einheiten bzw. dem MKS-System ergibt sich die Definition des Begriffs »Kraft« über die Beschleunigung: Um eine Masse von einem Kilogramm in jeder Sekunde um einen Meter pro Sekunde schneller werden zu lassen, ist eine Kraft von einem Newton [N] (ungefähr 102 p) erforderlich. Die Größen sind zueinander proportional:

  • Ist die Masse doppelt so groß, entfaltet sie nur die halbe Beschleunigung.
  • Oder man muss auch die Kraft verdoppeln, um bei doppelter Masse die gleiche Beschleunigung aufrecht zu erhalten.
  • Um bei gleicher Masse die Beschleunigung zu verdoppeln, muss man ebenfalls die Kraft verdoppeln.

So gelingt es, eine Kraft in den Grund-Einheiten Kilogramm, Meter und Sekunde auszudrücken:

Die Energie folgt auf den Fuß, denn Energie ist Kraft mal Weg. Wenn also eine Kraft von 1 N längs eines Weges von 1 m wirkt, z. B.

  • zur Überwindung von Reibung oder
  • um einen Gegenstand zu beschleunigen oder
  • um einen Gegenstand anzuheben,

so wird hierbei eine Energie von 1 Nm umgewandelt, und zwar

  • im ersten Fall in Wärme,
  • im zweiten Fall in kinetische Energie,
  • im dritten Fall in potenzielle Energie.

1 Nm nennt man auch 1 Joule [J]. Die potenzielle Energie errechnet sich jetzt ganz einfach aus der Gewichtskraft in Newton mal der Höhendifferenz in Metern – kein Umrechnungsfaktor mehr erforderlich. 1 Nm bzw. 1 J, also die Energie, die erforderlich ist, um eine Masse von etwa 102 g einen Meter hoch zu heben, ist allerdings ziemlich wenig Energie. Fällt der Gegenstand reibungsfrei einen Meter tief, so entspricht seine kinetische Energie jetzt der dafür verbrauchten potenziellen Energie. Prallt er danach unelastisch auf den Boden, wird diese kinetische Energie im Zuge der Verformung als Reibung in Wärme umgewandelt. Steigt also ein 102 kg (≈ 1000 N) schwerer Mensch 300 m hoch auf den Eiffelturm, so verrichtet er dabei eine Arbeit von

1000 N * 300 m = 300 000 Nm = (siehe unten) 300 000 Ws = 300 000 J = 300 kJ.

Betrachtet man einen Menschen (z. B. in dieser Situation) als Wärmekraftmaschine, so kann man von einem Wirkungsgrad von etwa 22% ausgehen. Nun ist aber gerade 1 cal ≈ 4,187 J = 4,187 Ws. Damit muss ein Mensch ungefähr eine Kalorie thermischer Energie essen, um ein Joule mechanischer Energie erzeugen zu können. Die restlichen 3,187 J einer jeden verspeisten Kalorie gehen in Wärme über. Um die Körpertemperatur dennoch auf 37°C zu halten, muss der Turmsteiger sich im Rahmen des moralisch Vertretbaren eines Teils seiner Kleidung entledigen. Darüber hinaus muss er auf seiner Körperoberfläche Wasser verdunsten, um die Wärme zu »verbraten« – und das hilft! 539 Kalorien oder 2256 Joule braucht es, um ein Gramm Wasser zu verdampfen. Unser 1 kN schwerer Turmsteiger verbraucht also etwa eine Kilokalorie je Meter Höhe (was im Volksmund als »Kalorie« bezeichnet wird, ist in der Regel schon eine Kilokalorie – sehen Sie auf die Nahrungsmittelpackungen: In kcal und in kJ werden die Brennwerte dort angegeben). Bei einem Körpergewicht von 500 N, also einer Körpermasse von 51 kg, werden nur noch 500 Kalorien je Meter Höhe verbraucht. Das klingt nach viel, ist aber doch ernüchternd wenig. Schließlich muss man die Wattsekunden zuerst durch 1 000 teilen, um auf Kilowattsekunden zu kommen, und dann noch zwei Mal durch 60, um – unter Auslassung der niemals verwendeten »Kilowattminute« – zur üblichen Einheit Kilowattstunde zu gelangen.

Etwa 300 Watt mechanische Abgabeleistung schafft ein Profi-Sportler. Unser 1000-N-Mensch müsste also 1/3 m/s, etwa 2 Treppenstufen je Sekunde, steigen und also den Eiffelturm in 15 Minuten bezwungen haben. Die schlanke 51-kg-Person müsste es bei dieser Leistung doppelt so schnell geschafft haben – und diese Anstrengung halten z. B. die Teilnehmer der Tour de France oder des Giro d’Italia etwa 6 bis 8 Stunden am Tag aus! Das macht also 1,8 bis 2,4 Kilowattstunden abgegebener mechanischer Energie pro Tag. Der Verbrauch liegt gut beim Vierfachen hiervon, also mit 860 kcal = 1 kWh um 7000 kcal oder 8 kWh täglich, zuzüglich des »Grund-Verbrauchs« zur Aufrecht-Erhaltung der Körpertemperatur für die übrigen 16 bis 18 Stunden des Tages. Der Radler darf also gut und gerne 4 Mal so viel essen wie normal sterbliche »Schreibtischtäter«, die sich nicht körperlich betätigen und normalerweise mit etwa 2000 kcal, also rund 3 kWh »Grund-Bedarf« angegeben werden, was für eine mittlere Wärme-Abgabe von etwa 70 bis 100 Watt steht. Während der sportlichen Spitzenleistung von 300 Watt mechanischer Leistung sind dagegen 1200 bis 1500 Watt an Wärme loszuwerden. Dass es dem Körper dennoch gelingt, seine Temperatur konstant zu halten, grenzt an ein biologisches Wunder.

Die rund 2 kWh mechanischer Energie ließen sich mit hohem Wirkungsgrad in nahezu 2 kWh elektrische Energie umwandeln, würden sie nicht eingesetzt, um in den Pyrenäen herum zu rasen, und damit könnte der Radler daheim seine Stromrechnung um gut 50 Cent entlasten (einschließlich EEG-Umlage). Bei uns ungeübten »normal Sterblichen« gehen wir lieber von 75 W und einer Ausdauer von 2 Stunden aus – im Gegenwert von etwa 2 Cent. Na toll, 1 Cent pro Stunde. Nein, so geht das nicht. Da muss eine andere Stromquelle her.

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Elektrische Energie

Elektrische Energie messen die Physiker in Wattsekunden [Ws]. Das ist die Energie, die umgesetzt wird, wenn eine Sekunde lang eine Leistung von einem Watt erzeugt oder verbraucht wird. Leistung ist Energie pro Zeit. Der Bezug »pro Zeit« ist in der Größe Strom, gemessen in Ampere [A], schon enthalten, denn ein Ampere bedeutet, dass an einer beliebigen Stelle des Drahtes 6,24*1018 Elektronen pro Sekunde vorbei fließen. Multipliziert mit der elektrischen Spannung wird hieraus die elektrische Leistung. Deswegen muss das Watt wieder mit der Sekunde multipliziert werden, um von der Leistung auf die Energie zu kommen. Ein Watt entspricht beispielsweise dem Leistungsbedarf einer modernen LED-Fahrradlampe, und ob der Dynamo uns dieses eine Watt (plus Verluste) auch noch von der mühsam selbst erstrampelten Leistung abzieht, merken wir nicht einmal. Das Lämpchen verbraucht mithin in einer Sekunde nur eine Wattsekunde an Energie – und das ist wahrlich recht wenig. Die Wattsekunde stellt also ebenfalls eine etwas unhandlich kleine Einheit dar.

Der Pfiff an der Sache ist nun, dass ein Newtonmeter, ein Joule und eine Wattsekunde das Gleiche sind:

1 Nm = 1 J = 1 Ws

Fazit: Wenn man SI-Einheiten benutzt, kann man Energie theoretisch direkt 1:1 gleich Energie setzen. Was praktisch bei der Umwandlung übrig bleibt, ist eine andere Frage, der man in jedem Einzelfall nachgehen muss, da die Bilanz von Fall zu Fall sehr verschieden aussehen kann.

Nur sind diese »Mini-Einheiten« ein wenig unhandlich. Deswegen hat es sich für den Alltags-Gebrauch eingebürgert, alle Energien in Kilowattstunden anzugeben. Nur bei Akkumulatoren bleibt man oft aus gegebenem Anlass dazwischen – bei der Wattstunde – hängen.

Da

  • ein Kilowatt gleich 1 000 Watt (1 kW =  1 000 W) und
  • eine Stunde gleich 3 600 Sekunden (1 h =  3 600 s) sind, ist
  • eine Kilowattstunde gleich 3 600 000 Wattsekunden oder 3,6 Megawattsekunden (1 kWh =  3 600 000 Ws = 3,6 MWs = 3,6 MJ).

So wie die aufzuführenden Energiemengen zunehmen, geht man auch immer mit der Einheit jeweils einen Tausender höher:

  • eine Megawattstunde gleich 1 000 Kilowattstunden (1 MWh =  1 000 kWh = 106Wh),
  • eine Gigawattstunde gleich 1 000 Megawattstunden (1 GWh = 1 000 MWh = 1 000 000 kWh = 109Wh),
  • eine Terawattstunde gleich 1 000 Gigawattstunden (1 TWh =  1 000 GWh = 1 000 000 000 kWh = 1012Wh).

Man sieht aber auch die wissenschaftlich formal korrekte Bezeichnung Petajoule [PJ]. Ein Petajoule ist gleich 1015 Wattsekunden [Ws] oder Joule [J] – eine Eins mit 15 Nullen.

Bedauerlicherweise haben Strom und Zeit eines gemeinsam: Zeit lässt sich nicht lagern – Strom auch nicht. »Strom« soll hier vorerst umgangssprachlich als »elektrische Energie« verstanden werden. Für den Physiker ebenso wie für den Techniker ist dies natürlich nur ein Teil der Wahrheit. Wie oben erwähnt, gehören noch die Faktoren »Spannung« und »Zeit« dazu, ehe daraus Energie wird (Energie ist Leistung mal Zeit, und die elektrische Leistung errechnet sich aus Spannung mal Strom). So gesehen lässt sich Strom gerade so gut lagern wie Zeit, denn die ist hinterher immer vergangen – egal, wie man sie verbracht hat, genutzt oder ungenutzt.

So ähnlich ergeht es der elektrischen Energie auch. Die hat etwas von einer Sternschnuppe: »Ach, jetzt nicht; ich sehe sie mir morgen an«, das läuft nicht. Wenn man eine riesengroße Fotovoltaik-Anlage aufbaut und die Presse schreiben lässt »…erzeugt [im Sommer] so viel Energie wie x-1000 Haushalte [aber leider vorwiegend im Winter] verbrauchen«, hilft das nicht so viel wie es den Anschein hat. Auch wenn die Anlage am Tage so viel Energie erzeugt wie die Haushalte nachts verbrauchen, hilft das noch ebenso wenig. Kohle, Gas und Öl lassen sich auf Halde legen; elektrische Energie nicht.

Und noch etwas macht es der Elektrizität schwer: Um eine Kilowattstunde elektrischer Energie zu erzeugen, muss ein thermisches Kraftwerk etwa drei Kilowattstunden thermischer Energie einsetzen. Die anderen zwei Kilowattstunden gehen in der Regel (leider immer noch) verloren, verteilen sich also als Wärme auf Nimmerwiedersehen in der Umwelt. Die auch nur annähernd vollständige Ausnutzung des Brennstoffs misslingt. Sicher, »ein Bisschen Schwund ist immer«, sagt man, aber ist das nicht ein Bisschen viel?

Im Prinzip ja, aber gerade deswegen gilt die elektrische Energie als die wertvollste Form von Energie. In diesem Sinne steht »wertvoll« hier einerseits schlicht und ergreifend für »teuer«, aber elektrische Energie lässt sich auch mit beispielloser Leichtigkeit in jede andere Form von Energie umwandeln. Die (Rück-)Umwandlung des eben erst thermisch erzeugten Stroms in Wärme ist natürlich im Prinzip unwirtschaftlich, von ökologischen Aspekten ganz zu schweigen. Die Umwandlung in Bewegungsenergie, Licht und auch Schall, wo erforderlich (und sei es Ultraschall), ist sehr wirtschaftlich möglich. Auch gibt es Anwendungen, in denen Wärme sehr punktuell auf kleinsten Raum begrenzt oder bei extrem hohen Temperaturen benötigt wird. Hier kann es sein, dass die elektrische Erzeugung unter dem Strich sparsamer ist als beispielsweise auf direkte Art mit einer Flamme, oder die Anwendung ist anders gar nicht möglich, weil nur auf elektrischem Wege die hohe Temperatur zu erreichen und auf kleinsten Raum zu begrenzen ist, beispielsweise in der Medizintechnik.

Lesen Sie mehr über die Hintergründe, wie nun der Strom in die Steckdose kommt, unter Stromnetze.