Zu Beginn der Elektrifizierung, in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, war der in städtischen Netzen verwendete elektrische Strom hauptsächlich Gleichstrom. Die ersten Generatoren versorgten direkt in der Nähe befindliche Lampen und Motoren. Die Spannungen waren niedrig, die Entfernungen kurz und die Verluste akzeptabel.
Mit dem raschen Anstieg der Nachfrage nach Licht, Antriebskraft und später Haushaltsgeräten wurde es notwendig, Energie über Dutzende, dann Hunderte von Kilometern zu transportieren. Gleichstrom stieß dabei auf eine einfache physikalische Grenze: Um viel Leistung ohne übermäßige Verluste zu transportieren, muss die Spannung erhöht und die Stromstärke verringert werden.
Der elektrische Strom existiert in zwei komplementären Formen: Wechselstrom und Gleichstrom. Ersterer variiert periodisch, während letzterer eine konstante Polarität beibehält. In modernen Systemen sind diese beiden Formen jedoch nicht gegensätzlich: Gleichstrom wird sehr oft durch Gleichrichtung von Wechselstrom gewonnen.
Wechselstrom wird direkt von einem Wechselstromgenerator erzeugt, dessen Rotation eine sinusförmige Spannung erzeugt. Diese Energieform ist ideal für den Hochspannungstransport, da sie sich leicht mit einem Transformator umwandeln lässt.
Gleichstrom, historisch von Dynamos erzeugt, stammt heute hauptsächlich aus der Gleichrichtung von Wechselstrom. Die Leistungselektronik ermöglicht die Umwandlung einer Wechselspannung in eine stabile Gleichspannung, die in Batterien, Elektronik, Speichersystemen und HGÜ-Verbindungen verwendet wird. Somit ist moderner Gleichstrom keine unabhängige Form, sondern eine Umwandlung von Wechselstrom.
Die transportierte elektrische Leistung wird durch \(P = U \times I\) ausgedrückt, wobei \(P\) die Leistung, \(U\) die Spannung und \(I\) die Stromstärke ist. Bei gegebener Leistung kann bei Verdopplung der Spannung die Stromstärke halbiert werden. Die Joule-Verluste in den Leitungen sind jedoch proportional zu \(I^{2} \times R\), wobei \(R\) der Widerstand der Kabel ist. Die Verringerung der Stromstärke ist daher das effektivste Mittel, um Verluste über große Entfernungen zu begrenzen.
In der Praxis führt dies zur Verwendung sehr hoher Spannungen für den Transport und anschließend zur Absenkung dieser Spannungen in der Nähe der Verbrauchsorten. Genau dies ermöglicht der Wechselstrom dank einer Schlüsseltechnologie der Elektrotechnik: dem Transformator.
Betrachten wir eine elektrische Leistung von \(P = 1\ \text{GW}\), in der Größenordnung der Leistung eines Kernreaktors. Angenommen, diese Leistung muss über \(100\ \text{km}\) mit einer Leitung transportiert werden, deren äquivalenter Widerstand (hin und zurück) \(R = 3\ \Omega\) beträgt, was etwa \(0{,}03\ \Omega/\text{km}\) entspricht. Vergleichen wir den Transport bei \(50\ \text{kV}\) und bei \(400\ \text{kV}\), was den aktuellen Normen entspricht.
1) Transport bei 50 kV
Die benötigte Stromstärke ist:
\(I = \frac{P}{U} = \frac{1\ \text{GW}}{50\ \text{kV}} = 20.000\ \text{A}\).
Die Joule-Verluste betragen dann:
\(P_{\text{Verluste}} = I^{2} \times R = (20.000)^{2} \times 3 = 1{,}2 \times 10^{9}\ \text{W}\).
Die Verluste erreichen etwa 1,2 GW in Form von Wärme, was bedeutet, dass am Leitungsanfang viel mehr als 1 GW eingespeist werden müsste, um am anderen Ende 1 GW zu liefern. Bei einer so niedrigen Spannung wird der Transport daher völlig ineffizient.
2) Transport bei 400 kV
Die Stromstärke beträgt:
\(I = \frac{1\ \text{GW}}{400\ \text{kV}} = 2.500\ \text{A}\).
Die damit verbundenen Verluste sind:
\(P_{\text{Verluste}} = (2.500)^{2} \times 3 = 18{,}75 \times 10^{6}\ \text{W}\).
Es gehen nur noch etwa 18,75 MW verloren, das sind weniger als 2 % der transportierten Leistung.
Durch die Erhöhung der Spannung von \(50\ \text{kV}\) auf \(400\ \text{kV}\) wird die Spannung um das 8-fache erhöht, die Stromstärke um das 8-fache verringert und die Verluste um \(8^{2} = 64\) reduziert. Bei einem realistischen Leitungswiderstand zeigt sich, dass sehr hohe Spannung unverzichtbar ist, um die Leistung eines Kernreaktors mit akzeptablen Verlusten zu transportieren.
Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselstrom. Er beruht auf der zeitlichen Veränderung des magnetischen Flusses in einem Eisenkreis, der in einer Sekundärwicklung eine Spannung induziert, wenn eine Primärwicklung gespeist wird. Durch Anpassung der Windungszahl jeder Wicklung kann die Spannung sehr effizient erhöht oder gesenkt werden.
Diese Eigenschaft ermöglichte die mehrstufige Struktur moderner Netze: Erzeugung bei mittlerer Spannung, Erhöhung auf sehr hohe Spannung für den Transport und schrittweise Absenkung auf Haushaltsspannungen. Ohne Transformator hätte jede Spannungsebene spezifische Maschinen und komplexe Umwandlungen erfordert. Wechselstrom setzte sich daher als die einfachste und robusteste Lösung für ein ausgedehntes Netz durch.
Der berühmte "Stromkrieg" stand zwischen Thomas Edison (1847-1931), einem Befürworter des Gleichstroms, und Nikola Tesla (1856-1943) sowie George Westinghouse (1846-1914), die für Wechselstrom eintraten. Edison hatte bereits in Gleichstrom-Verteilungsnetze investiert und fürchtete, dass sein Geschäftsmodell in Frage gestellt würde. Tesla hatte mehrphasige Systeme entworfen, die besonders für Wechselstrom geeignet waren.
Spektakuläre Demonstrationen des Ferntransports, wie die Stromversorgung der Stadt Buffalo von den Niagarafällen aus am Ende des 19. Jahrhunderts, zeigten die praktische Überlegenheit des Wechselstroms für große Leistungen. Kraftwerke konnten dort errichtet werden, wo Primärenergie verfügbar war, und der Strom mit begrenzten Verlusten in die städtischen Zentren transportiert werden.
Wechselstrom bietet mehrere entscheidende Vorteile für ein großflächiges Netz. Erstens ermöglicht die einfache Spannungsumwandlung die Optimierung jedes Netzabschnitts je nach Entfernung und zu transportierender Leistung. Zweitens sind rotierende Maschinen wie Asynchronmotoren einfach, robust und kostengünstig, wenn sie mit Wechselstrom betrieben werden.
Darüber hinaus wird die Synchronisation mehrerer Generatoren in einem Netz durch die periodische Natur des Wechselstroms erleichtert. Große kontinentale Netzverbindungen basieren auf dieser Synchronisationseigenschaft. Schließlich waren Messung und Schutz der Leitungen historisch einfacher mit Wechselgrößen, was zur Gesamtzuverlässigkeit der Netze beitrug.
Gleichstrom ist jedoch nicht verschwunden. Mit dem Aufkommen der Leistungselektronik wurde es möglich, Wechselstrom effizient in Gleichstrom umzuwandeln und umgekehrt. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen, sogenannte HGÜ, werden heute eingesetzt, um entfernte Netze zu verbinden oder große Leistungen unterseeisch zu transportieren.
In diesen Anwendungen bietet Gleichstrom Vorteile wie die Reduzierung bestimmter Verluste und das Fehlen von Synchronisationsproblemen zwischen Netzen. Diese Systeme basieren jedoch weiterhin auf einer überwiegend mit Wechselstrom betriebenen Umgebung, in der Erzeugung, Verteilung und die meisten Anwendungen wechselstrombasiert bleiben. Die historische Wahl des Wechselstroms prägt daher weiterhin die Gesamtarchitektur unserer Netze.
Der Erfolg des Wechselstroms ist nicht nur eine Frage der Physik. Er resultiert auch aus einem Kompromiss zwischen den am Ende des 19. Jahrhunderts verfügbaren Technologien, den Infrastrukturkosten und den industriellen Entscheidungen der Pioniere der Elektrizität. Sobald die ersten großen Wechselstromnetze gebaut waren, verstärkten Standardisierungseffekte diese ursprüngliche Wahl.
Noch heute sind die Frequenzen von 50 Hz in Europa und 60 Hz in Nordamerika ein Erbe dieser historischen Entscheidungen. Ein Paradigmenwechsel würde die Modifikation von Milliarden von Geräten und Millionen von Kilometern Leitungen erfordern. Wechselstrom bleibt daher das Rückgrat unserer elektrischen Zivilisation, während Gleichstrom spezialisierte Nischen besetzt, in denen seine besonderen Eigenschaften genutzt werden.
| Merkmal | Wechselstrom | Gleichstrom | Kommentar |
|---|---|---|---|
| Spannungsumwandlung | Einfach mit einem Transformator | Lange schwierig, erfordert Leistungselektronik | Schlüsselpunkt für den Ferntransport |
| Leitungsverluste | Durch Hochspannung reduziert | Bei HGÜ über sehr weite Strecken reduziert | Beide Lösungen sind heute komplementär |
| Rotierende Maschinen | Einfache und robuste Asynchronmotoren | Komplexere oder spezifische Motoren | Historischer Vorteil für die Industrie |
| Netzverbindung | Synchronisation erforderlich | Ermöglicht die Verbindung nicht-synchroner Netze | HGÜ wird als "Brücke" zwischen Systemen genutzt |
| Typische Anwendungen | Öffentliche Verteilung, Industrie, Haushalte | Lange Verbindungen, Elektronik, Speicherung | Hybridarchitektur AC + DC |
Quelle: Internationale Energieagentur – Elektrizitätsinformationen und CIGRE – Studien zu HGÜ-Verbindungen.
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