Physikalische Grundlagen

Elektrische Leiter – hier fließt der Strom

Das Material, in dem der Strom fließt, wird als elektrischer Leiter bezeichnet. Metalle eignen sich dafür besonders gut, weil ein Teil der in ihnen enthaltenen Elektronen frei beweglich ist. Doch wie bringt man nun die Elektronen dazu, sich gerichtet zu bewegen? Welche physikalischen Gesetze gelten für den Strom? Dabei sind drei physikalische Größen wichtig: Spannung, Stromstärke und Widerstand.

Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um die Elektronen zu bewegen. Spannungsquellen wie beispielsweise Batterien besitzen immer einen Pluspol, an dem Elektronenmangel herrscht, und einen Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Je größer diese Elektronendifferenz ist, umso höher ist die Spannung. Sie sorgt dafür, dass sich die Elektronen in Richtung Pluspol bewegen und somit Strom fließt. Gemessen wird die Spannung in Volt.

An einer normalen Steckdose liegt die Spannung in Europa meist bei 230 Volt, im Ortsnetz bei 400 Volt, im Mittelspannungsnetz zwischen zehn und 36 Kilovolt und im Hochspannungsnetz üblicherweise bei 110 Kilovolt.

Höchstspannung im Netz

Um die Verluste zu reduzieren, werden für die Übertragung großer Strommengen über weite Strecken Spannungen von 220 oder 380 Kilovolt verwendet. Man spricht dann von Höchstspannung, die bei Gleichstrom künftig mit 525 Kilovolt sogar noch höher liegen kann.

Stromstärke in unterschiedlichen Höhen

Die elektrische Stromstärke beschreibt die Menge an elektrischer Ladung, die pro Sekunde durch einen Leiter fließt. Sie wird in der Maßeinheit Ampere angegeben. Je höher die Amperezahl, desto mehr elektrische Ladung bewegt sich durch den Leiter. In Wohngebäuden liegen Ströme bis etwa 15 Ampere an, unsere Höchstspannungsleitungen führen einige 100 bis wenige 1.000 Ampere, und Blitze können kurzzeitig Stromstärken von mehreren 100.000 Ampere erreichen.

Der ohmsche Widerstand

Der elektrische Widerstand wird in Ohm gemessen und daher auch ohmscher Widerstand genannt. Er bestimmt, wie viel Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte Menge an Ladung durch einen Leiter zu bewegen. Der ohmsche Widerstand ist abhängig davon, wie der Leiter beschaffen ist – etwa von seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seinem Querschnitt. Ist der Widerstand eines elektrischen Leiters gering, so lassen sich auch bei niedrigen Spannungen hohe Stromstärken erzeugen.

Das ohmsche Gesetz

Physiker bezeichnen den Zusammenhang von Spannung, Stromstärke und Widerstand auch als ohmsches Gesetz. Es verdeutlicht, warum die Übertragung großer Strommengen unter Höchstspannung sinnvoll ist. Denn je höher die Spannung ist, umso mehr Ladung kann eine Stromleitung transportieren. Wir nutzen in unserem Übertragungsnetz sehr hohe Spannungen, um große Strommengen zu transportieren.

Die elektrische Leistung ist eine wichtige Kenngröße der Stromwelt. Sie ergibt sich – rein rechnerisch betrachtet – aus dem Produkt von Stromstärke und Spannung. Je höher die Stromstärke oder die Spannung, desto größer die Leistung. Gemessen wird diese Größe in Watt, benannt nach dem schottischen Wissenschaftler und Erfinder James Watt.

Wirkleistung: Was beim Verbraucher ankommt

Ein funktionsfähiges Übertragungsnetz sorgt dafür, dass dem Verbraucher ein möglichst hoher Anteil der erzeugten Leistung auch zur Verfügung steht. Die elektrische Leistung, die am Ende tatsächlich beim Verbraucher ankommt, wird als Wirkleistung bezeichnet. Sie lässt beispielsweise Lampen leuchten, verrichtet also physikalisch gesehen Arbeit. Jedoch ist es aus physikalischen Gründen nicht gänzlich zu vermeiden, dass beim Stromtransport Leistung verloren geht. In Deutschland betragen diese Übertragungsverluste über alle Ebenen des Stromnetzes hinweg etwa sechs Prozent.

Übertragungsverluste

Wenn Leiterseile Strom transportieren, erwärmen sie sich. Ein Teil der übertragenen Leistung geht so als thermische Energie verloren. Man spricht von ohmschen Verlusten. Auch elektrische Entladungen in die Luft (sogenannte Korona-Entladungen), die sich durch ein Knistern und Leuchten bemerkbar machen, reduzieren die Menge der übertragbaren Leistung. Zusätzliche Verluste entstehen, wenn der Strom auf eine andere Spannungsebene transformiert wird.

Blindleistung im Wechselstromnetz

Damit Strom im Wechselstromnetz überhaupt fließen kann, muss 50-mal pro Sekunde ein Magnetfeld auf- und abgebaut werden. Weil die Leistung zum Aufbau eines Feldes bei dessen Abbau wieder ans Netz zurückgegeben wird, bezeichnet man diese Leistung als Blindleistung. Sie verrichtet keine nutzbare Arbeit, wird aber für den Aufbau der Spannung benötigt.

Grundsätzlich müssen die Netze so dimensioniert werden, dass sie neben der Wirkleistung auch die pendelnde Blindleistung transportieren können. Bei einem steigenden Anteil von Blindleistung im Netz verringert sich die verbleibende Kapazität für die Wirkleistung. Weniger Strom in Form von elektrischer Ladung kann also transportiert werden.

Die Herausforderung für uns als Netzbetreiber besteht darin, die Blindleistung auf dem richtigen Niveau zu halten: Ist sie zu niedrig, sinkt die Spannung und der Stromfluss wird gestört. Ist sie zu hoch, kann weniger (nutzbare) Wirkleistung übers Netz transportiert werden. Deshalb setzen wir an ausgewählten Stellen unseres Netzes Kompensationsanlagen in Form von Phasenschiebern, Spulen und Kondensatoren ein. Sie dienen dazu, je nach Bedarf Blindleistung zu verbrauchen oder zu erzeugen.

Strom kann auf zwei unterschiedliche Weisen fließen: Bewegen sich die Elektronen gleichförmig in eine Richtung, so spricht man von Gleichstrom. Wenn sich ihre Bewegungsrichtung dagegen periodisch ändert, dann handelt es sich um Wechselstrom. Die Häufigkeit der Richtungswechsel ergibt wiederum die Frequenz. Diese liegt im europäischen Verbundnetz konstant bei 50 Hertz – das heißt, der Strom wechselt also 100-mal pro Sekunde die Richtung.

Vorteile beim Stromtransport

Wechselstrom hat sich in der Stromversorgung seit Beginn des 20. Jahrhunderts weltweit durchgesetzt. Sein Vorteil: Die angelegte Spannung lässt sich mittels eines Transformators flexibel und verlustarm erhöhen und vermindern.

Diese Möglichkeit ist für den Betrieb des Stromnetzes entscheidend. Denn so können verhältnismäßig einfach Kraftwerke, darunter auch Windenergie- und Photovoltaikanlagen, und Verbraucher, wie etwa Verteilnetze oder stromintensive Unternehmen, an das Übertragungsnetz angeschlossen werden. Über die verschiedenen Netzebenen hinweg kann der Wechselstrom stufenweise herauf- oder heruntertransformiert werden – sodass er schließlich mit 230 Volt an der heimischen Steckdose ankommt.

So entsteht Gleichstrom

Batterien und Akkus liefern beispielsweise Gleichstrom. Sie besitzen einen positiven und einen negativen Pol. Schließt man sie an einen Stromkreis an, so werden die freien Elektronen im elektrischen Leiter vom Pluspol angezogen und führen daher eine gerichtete Bewegung dorthin aus.

Auch Photovoltaik-Anlagen erzeugen Gleichstrom: Die Photonen als Energieträger des Sonnenlichts treffen auf das Silizium in der Solarzelle. Dabei setzen die Photonen die negativ geladenen Elektronen im Silizium frei, die zum Pluspol wandern. Es entsteht Gleichstrom. Soll der solare Gleichstrom in das öffentliche Netz eingespeist werden, muss er vorher in Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz umgewandelt werden. Dazu kommen Wechselrichter beziehungsweise Konverter zum Einsatz.

Gleichstrom im Übertragungsnetz

Der Ausbau von Wind- und Solaranlagen findet aufgrund des Flächenbedarfs überwiegend in ländlichen Gebieten statt. Die Verbrauchszentren liegen aber eher in den städtischen Ballungsräumen und Industriegebieten. Deshalb ist der Stromtransport aus erzeugungsstarken Regionen in verbrauchsstarke Regionen nötig – etwa von Windenergie aus Norddeutschland in die industriellen Zentren Süd- und Westdeutschlands.

Für die Übertragung großer Strommengen über weite Strecken eignet sich Gleichstrom hoher Spannung besonders gut. Denn dann sind die Übertragungsverluste geringer als bei Wechselstrom – vor allem, weil für den Transport von Gleichstrom keine Blindleistung benötigt wird. Allerdings sind Gleichstromübertragungen vergleichsweise teuer.

Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

Die Energieübertragung durch Gleichstrom über weite Entfernungen wird auch Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) genannt. Dabei können Spannungen von mehr als 500 Kilovolt erreicht werden. Der Bau von Gleichstromverbindungen ist relativ aufwendig: Am Anfang und am Ende werden teure Konverteranlagen benötigt, die den Gleich- in Wechselstrom wandeln und umgekehrt.

Die Anwendungsbereiche von Gleich- und Wechselstrom lassen sich gut mit denen von Verkehrsmitteln vergleichen: Will man eine große Entfernung ohne Unterbrechung schnell zurücklegen, ist das Flugzeug das geeignete Transportmittel. Möchte man hingegen unterwegs einige Zwischenstopps einlegen, nutzt man besser die Bahn.

Übertragen auf die Stromwelt bedeutet dies: Bei Gleichstrom sind keine preisgünstigen Knotenpunkte entlang der Strecke möglich, die wie bei einer Wechselstromleitung Verbindungen in die lokalen Verteilnetze schaffen. Daher ist die HGÜ-Technik vor allem dann wirtschaftlich, wenn Strom über lange Strecken transportiert werden soll.

Wenn Elektrotechniker über die Kapazität sprechen, meinen sie damit eine physikalische Größe. Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung beispielsweise ein Kondensator speichern kann. Ein Kondensator besteht in der Regel aus zwei leitfähigen Oberflächen, die elektrisch voneinander isoliert sind und auf denen Ladungen gespeichert werden können. Schaltet man einen Kondensator an eine Spannung, so fließen Ladungsträger, bis sich der Kondensator auf die Spannung aufgeladen hat. Auch Erdkabel verhalten sich elektrisch wie Kondensatoren.

Erst wenn bei einem Kabel dieser Ladevorgang abgeschlossen ist, kann Strom übertragen werden. Bei Erdkabeln spielt die Kapazität eine besondere Rolle. Sie hat für Gleich- und Wechselspannung sehr unterschiedliche Auswirkungen und ist damit der entscheidende Faktor für die systemseitig vertretbare Länge einer Erdkabelverbindung.