Elektrische Energieversorgung: Stromnetz und Verluste verstehen

Elektrische Energie entsteht technisch durch die Umwandlung anderer Energieformen. Der Ausdruck „Stromerzeugung“ ist üblich, physikalisch aber verkürzt: Energie wird weder erschaffen noch vernichtet.

Ein Generator wandelt mechanische Energie einer Drehbewegung in elektrische Energie um. In einem Kohlekraftwerk erhitzt die Verbrennung Wasser. Der Dampf treibt eine Turbine an, ein Rad mit Schaufeln, das mit dem Generator verbunden ist. Die Kette lautet: chemische Energie → thermische Energie → Bewegungsenergie der Turbine → elektrische Energie.

Bei Wind- und Wasserkraftanlagen steht die mechanische Bewegung früher in der Kette. Photovoltaikanlagen wandeln dagegen Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um.

Metallische Stromleitungen besitzen einen elektrischen Widerstand R. Sie erwärmen sich, wenn Strom fließt: Ein Teil der übertragenen Energie wird zu Wärme. Die Verlustleistung P_V ist diese pro Zeit in Wärme umgewandelte Energie.

P_V=R\cdot I^2

I ist die Stromstärke in Ampere, R der Widerstand in Ohm und P_V die Verlustleistung in Watt. Bei gleichem R vervierfacht eine Verdopplung von I die Verlustleistung.

Für einen vereinfachten Gleichstromkreis gilt die elektrische Leistung:

P=U\cdot I

U ist die Spannung in Volt. Bei gleicher übertragener Leistung führt eine höhere Spannung zu kleinerer Stromstärke: I=P/U. Im realen Drehstromnetz hängt die Leistungsformel zusätzlich von Anordnung und Belastung der drei Phasen ab. Bei sonst gleichen Bedingungen lässt höhere Spannung auch dort eine kleinere Stromstärke zu.

Ein Transformator kann Wechselspannungen erhöhen oder senken. Für den Transport von einem großen Kraftwerk wird die Spannung erhöht und vor der Nutzung wieder gesenkt. Im deutschen Wechselstrom-Übertragungsnetz sind 220 kV und 380 kV üblich; die Nennspannung einer Haushaltssteckdose beträgt 230 V. Die Nennspannung ist ein festgelegter Auslegungswert.

Im deutschen Stromnetz sind folgende Spannungsebenen üblich.

Umspannanlagen verbinden mit Transformatoren unterschiedliche Spannungsebenen. Auf dem Weg vom großen Kraftwerk über das Übertragungsnetz zum Haushalt wird die Spannung zunächst erhöht und dann stufenweise gesenkt. So verbindet das Netz verlustarmen Ferntransport mit Spannungen, für die Geräte gebaut sind. Nicht jede Anlage speist auf der höchsten Ebene ein: Kleine Photovoltaikanlagen auf Hausdächern liefern beispielsweise Energie direkt ins Niederspannungsnetz.

Die öffentlichen Wechselstromnetze in Europa haben eine Nennfrequenz von 50 Hertz (Hz). Das bedeutet 50 vollständige Schwingungen pro Sekunde. Im Netz wird überwiegend Dreiphasenwechselstrom, kurz Drehstrom, genutzt: Drei Wechselspannungen sind jeweils um ein Drittel einer Schwingung zeitlich versetzt.

Im idealen Modell ändern sich die drei Ströme sinusförmig, also in der gleichmäßigen Wellenform einer Sinuskurve. Bei gleichmäßiger Belastung sind sie gleich stark. Ihre momentanen Werte addieren sich dann zu null. Zur Übertragung genügen deshalb drei stromführende Außenleiter. Im Haushaltsnetz gibt es zusätzlich den Neutralleiter: Zwischen ihm und einem Außenleiter liegen nominell 230 V, zwischen zwei Außenleitern 400 V. Daher beziehen sich die beiden Niederspannungsangaben auf unterschiedliche Leiterpaare.

Hohe Spannungen sind gefährlich. Ausreichende Abstände helfen, elektrische Überschläge zu vermeiden. Isolatoren aus schlecht leitendem Material trennen die Leiterseile von den geerdeten Masten. Darüber verlaufende Erdseile dienen dem Blitzschutz.

Im Stromnetz müssen Einspeisung und Entnahme einschließlich der Netzverluste fortlaufend ausgeglichen werden. Steigt die Nachfrage, können regelbare Kraftwerke ihre Leistung erhöhen oder Speicher Energie abgeben. Sinkt die Nachfrage, lässt sich die Erzeugung drosseln oder ein Speicher laden. Auch eine Verschiebung geeigneter Nutzungen auf einen anderen Zeitpunkt hilft beim Ausgleich.

Ein Verbundnetz verbindet Regionen und Länder. Fällt ein Kraftwerk wegen einer Reparatur aus, können andere Anlagen einen Teil seiner Aufgabe übernehmen, sofern genügend Erzeugungs- und Leitungskapazität verfügbar ist. Das erhöht die Versorgungssicherheit.

Wind und Sonne stehen nicht ständig in gleicher Stärke zur Verfügung. Ein stabiler Energiemix kombiniert deshalb verschiedene Quellen und Ausgleichsmöglichkeiten. Dazu gehören ein weit verbundenes Netz, Speicher, regelbare Erzeugung und zeitlich flexible Nachfrage.