Grundlagen der elektrischen Energieerzeugung und Übertragung

Elektrische Energie kann durch verschiedene physikalische oder chemische Vorgänge erzeugt werden. Nachfolgend sollen nicht die kompletten Vorgänge beschrieben werden, es ist jedoch von Vorteil die Grundprinzipien zu verstehen.

Elektrische Energiequellen teilen sich in mind. 3 grosse Kategorien auf:

• Gleichstromquellen (benannt ‚DC-Quellen‘)
• Wechselstromquellen (benannt ‚AC-Quellen‘)

Wechselstromquellen sind zudem aufteilbar in 1-Phasen Wechselstrom oder aber 2-3 Phasen Drehstrom. In Deutschland treten gewöhnlich nur 1-Phasen Wechselstrom oder 3-Phasen Drehstrom auf.

Alle Strom- und Spannungsarten haben wichtige Gemeinsamkeiten:

• Die Wirkung auf Wirkwiderstände ist identisch
• Reine Ohmsche Wirkwiderstände werden in Ihrem Leistungsverhalten nur von Spannungshöhe und Strommenge beeinflusst

Abgeleitet werden kann diese Tatsache aus dem Ohmschen Gesetz. Das einfache Ohmsche Gesetz, welches für alle Quelltypen gilt, unterscheidet nicht zwischen Gleich – und Wechselstrom, solange es sich um reine Wirkwiderstände handelt.

So hat ein Ohmscher Widerstand von 1 Ω (Ohm), der angeschlossen wird an 1V (Volt) Spannung, der dann entsprechend von 1A (Ampere) Strom durchflossen wird, genau die Wirkleistung (Wärmeleistung) von 1W.

Das Ohmsche Gesetz beschreibt zusammenfassend die Beziehungen von Spannung zu Strom oder die Beziehung der Wirkwiderstände zur Spannung und Strom.

Die Grundbeziehung ist immer bei Verbrauchern.

Gleichstrom wird gewöhnlich durch chemische oder aber physikalisch-chemische Prozesse erzeugt.

Reine chemische Gleichstrom Stromerzeugung findet man z.B. in klassischen Batterien. Das Funktionsprinzip ist dabei chemisch trivial:

Jedes chemische Element besteht unter anderem aus Elektronen. Diese Elektronen kreisen (fast) frei beweglich um den Atomkern des Elements. Elektronen sind negativ geladen und werden von ebenfalls im Atom enthaltenen Protonen angezogen. Das Proton, welches positiv geladen ist, ist fest am Atomkern gebunden. Dieses ist der Grund warum ein Element zunächst einmal eine „stabile Form“ besitzt und nicht zerfällt.

Die „Festigkeit“ des Elementes hängt nun davon ab, wie viele Protonen und Elektronen in dem Element vorhanden sind. Jedes Proton hält zunächst einmal ein Elektron in seiner Nähe. Ist die Zahl der Protonen und Elektronen identisch, was üblich ist, dann ist dieses Element elektrisch neutral.

Je nach Element kann es vorkommen, dass mehr Elektronen als Protonen vorhanden sind. Hierbei wird dann vom geladenen Element gesprochen. Je mehr freie Elektronen ohne direkte Protonenabhängigkeit, desto geladener ist es. Es tritt ein Elektronenmangel auf. Ist die Zahl der Protonen höher als die Zahl der Elektronen, dann tritt ein Elektronenüberschuss auf.

Nun kann man, indem man ein anderes Element mit anders gelagerten Ladungszustand verwendet, für eine Art Ungleichgewicht sorgen. Das Element, welches mehr Protonen besitzt zieht nun durch die stärkere Kraft die freien (aber auch durchaus die gebundenen) Elektronen des schwachen Elements an. Die Elektronen beginnen sich also zwischen den Atomen (Elementen) auszutauschen, sie beginnen zu wandern. Da das erste Element seinen Zerfall vermeiden will zieht das Proton des schwachen Elements allerdings auch wieder Elektronen aus dem 2. Element an. Gelingt dieses nicht zerfällt das Atom oder verbindet sich zu einem neuen Element, es geht eine neue Bindung ein.

Der Effekt kann durch Hinzufügen von Wärme, womit zumeist auch eine Agregatszustandsänderung des Elements eintritt, beschleunigt oder verstärkt werden. So dehnt sich ein Element aus und die Stärke der Anziehungskraft verändert sich zwischen Proton und Elektron, durch die Ausdehnung des Elements. Je grösser die Ausdehnung ist, desto schwächer ist die Bindung der Elektronen an die Protonen, sie können sich freier bewegen.
Ebenso kann durch das Hinzufügen von Säuren und anderen Trägerstoffen die Reaktion durch „Verschmutzung“ beschleunigt werden. Die Säure sorgt durch neue Bindungen für mehr Elektronen und fügt so verstärkt Elektronen ein.

Die Anziehungskraft der Elektronen des 2. Elements zum 1. sorgt nun für einen Potentialunterschied zwischen den beiden chemischen Elementen. Um nun den „freien“ Ausgleich der Elektronen nicht vollständig zu ermöglichen wird zwischen den beiden Elementen ein Trennstoff eingefügt, ein Isolator.
An das minderwertige Element wird nun ein Metallelement (Polanschluss) angefügt der mit „Minus“ bezeichnet wird, an das Höherwertige Element wird ebenfalls ein Metallelement „Pluspol“ angefügt. Durch Verbindung der beiden Pole, kann nun ein konstanter Elektronenaustausch stattfinden – dieses ist der Strom, der Elektronenfluss.

Solange nun ein Potentialunterschied zwischen den beiden Seiten (Polen) besteht kann der Strom konstant fliessen. Diese Kontinuität hat einen Gleichstrom mit konstanter Höhe und konstantem Druck (Spannung) zur Folge. Sowie der Zustand eintritt das beide Seiten (Elemente) einen ausgeglichenen Elektronenzustand erreicht haben fällt die Spannungsquelle quasi in sich zusammen. „Die Batterie ist leer“.

Da das Isolierelement der Trennschicht nicht zu 100% „dicht“ ist, altert eine Batterie. Batteriealterung ist ein Selbstentladungsprozess durch „Undichtigkeiten“ in der Trenn-/Isolierschicht. Je nach Batterietyp beträgt der Alterungsprozess 3-10 Jahre, in seltenen Fällen mehr.

Neben der Erzeugung von Gleichstrom durch eine Batterie gibt es noch andere Wege eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom zu erzeugen. Bevor man sich jedoch mit diesem Weg beschäftigt gilt es das Generatorprinzip zu verstehen. Dieses Prinzip ist auch zugleich die Basis des elektrischen Wechselstroms.

Das Dynamoelektrische Prinzip basiert auf der Erkenntnis, daß durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld eine elektrische Spannung entsteht. Das Entdecken dieser Eigenschaft führte zur Entstehung oder Entwicklung des Generators. Der physikalische Prozess den das Prinzip beschreibt nennt sich Induktion.

Induktion ist der physikalische Vorgang, bei dem Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Das Magnetfeld kann auf verschiedene Arten erzeugt werden. Im einfachsten Fall bringt man den elektrischen Leiter zwischen die Pole eines Dauermagnets. Wird der Leiter dann auch noch als Schlaufe zwischen die Magnetpole gebracht, kann man zudem 2 Spannungen enstehen lassen die einander entgegen gerichtet sind.

Ein Leiter der von einem elektrischen Strom durchflossen wird erzeugt seinerseits ein Magnetfeld.
So erzeugt man ebenfalls einen Magneten. Da nicht jedes Material magnetisch ist, oder sich magnetisieren lässt, wickelt man den Leiter um ein Material welches sich magnetisieren lässt. Zumeist ist das Material ein Eisenkern. Entstanden ist damit ein Elektromagnet, der als Ersatz für den Dauermagneten eingesetzt werden kann.

Wenn man ein Voltmeter an die beiden Anschlüsse der Leiterschleife anschliesst, die man in dem Magnetfeld bewegt, kann man beobachten, dass die Spannung immer dann am höchsten ist, wenn man besonders nah an den Magnetpolen ist. Ebenso ist zu beobachten, dass das Voltmeter zwischen einem hohen Wert nach Rechts und Links ausschlägt, also eine scheinbar negative Spannung und eine positive Spannung mit einem gleich hohen Maximalwert anzeigt.

Eine solche Spannung, die immer um den Nullpunkt und zwischen einem hohen positiven und negativen Wert pendelt, wird als Wechselspannung bezeichnet. Die Zeit die zwischen dem Startwert „null“ (keine Spannung U_o) vergeht, über den positiven Spitzenwert (Spitzenspannung U_ss), wieder durch den Nullpunkt bis zum negativen Spitzenwert und wieder dem abklingen auf den Nullwert bezeichnet man als Frequenz der Wechselspannung. Die Frequenz misst man in Herz (Hz).

Bildlich gesehen ist ein Herz (1 Hz) die Zahl der vollständigen Umdrehungen pro Sekunde.

Ein sich drehender Generator erzeugt immer einen exakt Sinusförmigen Spannungsverlauf. Dabei spielt seine Umdrehungszahl zunächst keine Rolle.

Bei Generatoren oder Motoren heißt 1 Hz, dass sich der Motor oder Generator an seiner Achse 60 mal pro Minute vollständig um 360 Grad gedreht hat.

Bei konstanter Drehung und Bewegung der Leiterschleife entsteht ein solcher Sinusförmiger Verlauf.

Im europäischen Energienetz wird mit einer Frequenz von 50 Hz gearbeitet – die sogenannte Netzfrequenz. Das heißt ein Generator dreht 50 mal pro Sekunde um vollständige 360 Grad und weist damit 25 positive und 25 negative Halbwellen auf. Die Einhaltung dieser Zyklen ist sehr wichtig zur Berechnung und Sicherung der Netzspannung.

Alle Generatoren, die an das öffentliche Netz angeschlossen werden, müssen so betrieben werden, dass diese exakt synchron betrieben werden. Alle Generatoren am gemeinsamen Netz weisen den „Nulldurchgang“ und den Maximalwert, also auch die Augenblickswerte an der gleichen Stelle auf. Diese Werte werden durch die Energieversorger überwacht. Generatoren oder Einspeiser, die den synchronen Takt nicht aufweisen werden vom Netz automatisch oder manuell getrennt bis diese wieder im gleichlaufenden Takt betrieben werden.

Neben dem Sinusförmigen Verlauf gibt es auch noch Quellen mit anderen Wechselspannungen die dann einen Dreieck oder Rechteckigen Verlauf aufweisen. Insbesondere bei der Informationsübertragung sind diese Verläufe zu finden. Im Bereich der elektrischen Energietechnik sind jedoch Sinusförmige Spannungen der Wunschzustand. Übliche Generatoren in Kraftwerken erzeugen durch ihren Aufbau sinusförmige Ausgangsspannungen.

Zur Vereinfachung schematischer Abbildungen wird meist in einem Magnetfeld ein Leiter bewegt, reale Generatoren sind genau anders herum aufgebaut. Dort wird nicht mehr der Leiter in dem Magnetfeld gedreht, sondern der Magnet wird am Leiter vorbei bewegt. Der Magnet ist dann auch kein Dauermagnet mehr, sondern ein Elektromagnet. Einen solchen Generator nennt man im übrigen „Selbsterregend“.

Ein Generator kann neben seiner Funktion als Generator auch als Motor betrieben werden. Das Funktionsprinzip des Motors ist identisch mit dem des Generators, nur dass er die Energie nicht aufnimmt, sondern die elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt.

In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen aktiven Zweipolen und passiven Zweipolen. Die Bezeichnung „Zweipol“ stammt daher, dass ein Element in der Elektrotechnik immer eine Zuführung und eine Abführung des Stroms beinhalten muss, nämlich Pluspol und Minuspol. Es gibt auch Mehrpole – diese werden aber hier zunächst nicht weiter betrachtet.

Die Fallunterscheidung zwischen Aktiv und Passiv richtet sich danach, ob es sich um einen Erzeuger oder Verbraucher handelt. Ein Verbraucher ist immer ein Passiver Zweipol, ein Erzeuger (Generator oder Batterie) ist immer ein Aktiver Zweipol.

In einem aktiven Zweipol ergibt sich ein etwas abgewandeltes Verhältnis der Beziehungen die aus dem Ohmschen Gesetz bekannt sind. So muss die Ausgangsspannung um den Wert korrigiert werden, welcher sich aus dem Spannungsabfall im Generator, bedingt durch seinen sogenannten Innenwiderstand, ergibt. Der Innenwiderstand entsteht dadurch, dass die Spulen im Generator selbst mindestens einen Leiterwiderstand aufweisen.

Dieses etwas andere Verhältnis wird durch die Fomel

U_{Ausgangsklemme} = U_innen - R_innen • I_AB

beschrieben.

Diese Besonderheit soll aber an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden und wird nur der Vollständigkeit halber hier erwähnt.

Neben Gleich- und Wechselstrom wird in der elektrischen Energietechnik mindestens noch eine weitere elektrische Spannungsart verwendet. Der sogenannte Drehstrom, der in früheren Zeiten vielfach als Kraftstrom bezeichnet wurde.

Üblich ist „3 Phasen“ – Drehstrom. Dabei werden 3 Spulen um 120° versetzt im Generator angeordnet. Da die Spitzenspannung immer dann an jeder Spule auftritt wenn der Magnet der Spule am nächsten ist sind die Spitzenspannungen an jeder Spule zeitlich versetzt – sie sind zeitlich „Phasenverschoben“ um den Winkel um den die Wicklungen verschoben sind.

Die einzelnen nach Außen geführten Wicklungen werden als R, S und T bezeichnet. Sie heißen auch Außenleiter.

Je nach Beschaltung ergeben sich nun unterschiedliche Spannungen die messbar sind. Wird ein Verbraucher am Eingang und Ausgang einer Wicklung betrieben, dann ergibt sich die gleiche Spannung wie bei einem Wechselstrom Generator. Werden die Wicklungen hintereinander geschaltet ergibt sich eine fast verdoppelte Spannung (genauer ist es das √3 fache).

Die Beschaltung eines Generators kann im sogenannten Sternbetrieb oder Dreieckbetrieb erfolgen.

Im Sternbetrieb werden die Wicklungsanfänge miteinander verbunden. Der sich ergebene „Sternpunkt“ wird nach Außen geführt und als Neutralleiter oder Mittelpunktleiter bezeichnet. Die anderen Enden der Wicklungen erhalten die Bezeichnung U, V und W – oder L1, L2 und L3.

Im Dreieckbetrieb wird kein Sternpunkt gebildet, sondern immer 2 Wicklungen werden am Ende miteinander verbunden. Die Verbindungspunkte werden nach außen geführt. Die nach Außen geführten Verbindungspunkte erhalten die Bezeichnung L1, L2 und L3 – einen Neutralleiter gibt es mangels Sternpunkt nicht. So kann der Energietransport über 3 Leiter erfolgen.

Welche Schaltung für den Generator benötigt wird ergibt sich aus den zu versorgenden Verbrauchern.

In der Sternschaltung sind

• Die Ströme der Außenleiter und die sogenannten Strangströme gleich groß
• Die Leiterspannungen zueinander sind um den Faktor √3 größer als die Einzelspannungen.
• Auf den Sternpunkt bezogen sind die Spannungen der Außenleiter gleich den Einzelspannungen.

In der Dreieckschaltung sind

• Die Spannungen der Außenleiter und die Einzelspannungen gleich groß
• Die möglichen Leiterströme zueinander sind um den Faktor √3 größer als die je Wicklung abgreifbaren Einzelströme.

Besonders hohe Leistungsanforderungen in Bezug auf den benötigten Strom werden somit durch die Dreieckschaltung lösbar, werden die in der Gebäudetechnik benötigten unterschiedlichen Spannungen 230 und 400 V benötigt, dann bietet sich die Sternschaltung an. Grundlage ist aber, dass der zu erwartende Strom ein definiertes Maß nicht überschreitet.

Details, warum ein hoher Strom ein Problem sein kann und oftmals eine höhere Spannung gewünscht wird, dass wird in einem späteren Teil noch im Detail betrachtet.

Nicht immer liegt die erzeugte elektrische Energie in der Form vor, die für den jeweiligen Einsatzzweck die geeignete Form darstellt.

Die Umwandlung von Spannungen und Strömen in die benötigte Spannungs- und Stromart erfolgt über sogenannte Strom- und Spannungswandler. Diese erlauben den Anschluss einer Stromquelle und liefern am Ausgang eine neue Stromquelle in gewünschter Art.

Neben der Erzeugung von Gleichstrom aus chemischen Quellen kann ein Gleichstrom auch aus Generatoren erzeugt werden. Sämtliche moderne Technik verwendet überwiegend intern Gleichstrom. Ebenso wird natürlich für Geräte in denen Akkus zum Einsatz kommen primär Gleichstrom benötigt.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Gleichstrom, betrachtet wird hier nur das einfache Verfahren über Halbleitertechnik.

Halbleiter sind Stoffe, welche sowohl Isolator als auch Leiter sind. Durch Kontaminierung von Feststoffen dazu gebracht werden unter gewissen Umständen leitfähig zu werden. Beispiele für diese Stoffe sind Silizium oder Germanium. Die Definition, wann ein solcher Stoff Leitfähig wird ergibt sich durch dessen Zusammenstellung. Beispiele können besonderes Temperatur oder aber Strom- und Spannungsverhalten sein.

Für sogenannte Gleichrichter, die zur „Erzeugung“ von Gleichstrom benötigt werden, ist Beispielsweise relevant, dass nur ein bestimmter Stromfluss und nur eine Seite der erzeugten Sinuswelle aus dem Generator durchgeleitet wird, z.B. die positive Halbwelle. Ein solches Bauteil was dieses ermöglicht nennt sich Diode.

Eine solche Diode besitzt eine sog. Durchbruchspannung, das ist die Spannung, bei der die Diode leitend wird. Sie verhält sich ab dieser Spannung fast wie ein gewöhnlicher Leiter, ähnlich einem Kupferdraht. Je nach Polung der Diode, die sich durch die Einbaurichtung ergibt, ergibt sich für welchen Teil der Halbwelle die Diode in Sperr- oder Durchlassrichtung betrieben wird. Damit ergibt sich dann auch, ob es im Ergebnis eine positive oder negative Gleichspannung gibt.

Weil nur noch eine Halbwelle verwendet wird sinkt die sog. Effektivspannung am Ausgang der Kathode. Um diesen Wert wieder annähernd auf den Wert der Eingangswechselspannung zu bekommen kann man sich sogenannter Brückenschaltungen bedienen. Diese werden so verschaltet, dass jeweils 1 Paar von Dioden gegeneinander gerichtet sind. Die eine Diode ist in Durchlassrichtung für die positive Halbwelle, die andere für die negative Halbwelle.

Weil nun 2 Halbwellen, auf einer die positive Seite, gebrückt werden ergibt sich ein höherer Effektivwert der Ausgangsspannung an den Anschlüssen der Diode.

Das sich ergebene Bild der entstehenden Gleichspannung ist nicht „ganz glatt“ wie bei einer Batterie, aber die geringe „Welligkeit“ spielt für das Grundprinzip keine Rolle. Zudem kann es ebenfalls durch entsprechende Beschaltung „geglättet“ werden.

Während das „Erzeugen“ von Gleichstrom und Gleichspannung über eine Gleichrichterschaltung relativ einfach ist, ist das Erzeugen von Wechselstrom aus einer Gleichspannung technisch aufwendiger.

Benötigt wird dieser Weg überall dort, wo die elektrische Energie nicht aus Generatoren stammt, sondern z.B. über Photovoltaik oder chemische Wege erzeugt wird.
Neben der Umwandlung zum generellen Zweck der Nutzung der erzeugten Energie, gibt es die Notwendigkeit elektrische Energie zu speichern – für den Fall der Störung von öffentlichen Versorgungssystemen. Für die Speicherung von elektrischer Energie eignen sich z.B. Akkus, welche aber eben nur Gleichstrom speichern können. Die angeschlossenen Verbraucher hinter dem Akku brauchen aber nun Wechselspannung, somit muss die Energie aus dem Akku vor dessen Nutzung zunächst umgewandelt werden um dann zur Verfügung zu stehen.

Zum Einsatz kommen in solchen Fällen Wechselrichter.

Wechselrichter gibt es in 2 Ausführungen:

1. Selbstgeführte Wechselrichter

Dieses sind Wechselrichter die eine Gleichspannung „einfach“ umwandeln und einen eigenen Takt, der auch asynchron zum Netztakt sein kann, verwenden.

2. Fremd- oder Netzgeführte Wechselrichter

Diese sind dann interessant, wenn eine Gleichspannung als Wechselspannung in das öffentliche Netz eingespeist werden soll. Der Takt wird hier durch das Versorger oder Referenznetz definiert.

Wie im Bereich der Wechselstromerzeugung beschrieben müssen alle Generatoren vollsynchron arbeiten, wenn diese an das öffentliche Netz angeschlossen sind, damit es nicht zu Spannungserhöhungen oder anderen Nebeneffekten kommen kann. Fremdgeführte Wechselrichter erzeugen eine exakt mit dem Sinus Signal des Wechselstromnetzes synchrone Wechselspannung.

Desweiteren ist die Erzeugung von „Blindstrom“ durch diese Wechselrichter möglich, der für die Nutzung des erzeugten oder umgewandelten Stroms für die Wandlung in Bewegungsenergie (also Motoren) oder genauer für den Vormagnetierisungsprozess von Induktionsspulen notwendig ist.

Ein einfacher Wechselrichter kann elektronisch geschaffen werden. In früheren Zeiten bezeichnete man einen Wechselrichter auch „Zerhacker“.

Vom Grundprinzip her muss im Takt von 50 Hz einfach Spannung/Strom ein und ausgeschaltet werden und im Takt von 25 Hz die Polung getauscht werden. Entstehen wird dabei jedoch keine Sinus Spannung sondern halt eine Rechteckspannung mit 2 Spannungsspitzenwerten, jeweils einmal im positiven und negativen Bereich. Der entstehende Effektivwert entspricht dann dem der normalen Wechselspannung. Geeignet sind diese sehr einfachen Wechselrichter für alle ohmschen Verbraucher. Motoren oder Geräte mit Transformatoren können daran gewöhnlich nicht betrieben werden.

Motoren und Transformatoren brauchen eine echte Sinus Wechselspannung – mit Blindstromanteil.
Für einen sauberen Sinus Verlauf wird eine Elektronik eingesetzt, welche dafür sorgt, dass stückweise (und auch nur näherungsweise) eine Sinuswelle entsteht. Die Elektronik erzeugt dazu mehrere Rechteck Spannungen und überlagert diese.

Die einfachste Form eines Wechselrichters befindet sich in einem elektronischen „Starter“ von alten Leuchtstofflampen, andere typische Einsatzbereiche sind Unterspannungsversorgungen und Netzstabilisierungen (USV).

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