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Transport elektrischer Energie

Der größte Vorteil an elektrischer Energie ist der verhältnissmässig einfache Transport vom Erzeuger zum Verbraucher.

Gewöhnlich erzeugen die Kraftwerke Drehstrom, der über schon fast beliebige Strecken transportiert werden kann. Wie bereits im Abschnitt der Drehstromerzeugung dargestellt müssen alle Generatoren im Gleichtakt betrieben werden. Dieses ist insofern von hoher Relevanz, als dass die einzelnen Erzeuger über das nationale Verteilungsnetz (bis hin zu europaweiten Netzen, mitunter auch internationalen Netzen) miteinander verbunden sind.

Alle Generatoren an einem Drehstromnetz, die in diesem Gleichtakt betrieben werden, nennen sich Synchrongeneratoren, die eine feste und klar definierte Drehfrequenz aufweisen. Neben Synchrongeneratoren existieren auch noch Asynchrongeneratoren, welche in bereits stabilisierten Netzen zum Einsatzen kommen.

Energienetze - Spannungsebenen

Die Energienetze, also der eigentliche Transportweg der elektrischen Netze, wird aufgeteilt in:

  1. Niederspannungsnetz
  2. Mittelspannungsnetz
  3. Hochspannungsnetz
  4. Höchstspannungsnetz

Je nach Spannungsebene sind verschiedene Aufgaben in den Vordergrund gestellt.

In der Niederspannungsebene findet die Übergabe zwischen dem eigentlichen Versorgernetz und dem Endverbraucher statt. Das sind gewöhnlich die Hausanschlüsse im Gebäude. Außerdem kann an diesen Punkten eine Einspeisung von Elektrischer Energie aus Eigenerzeugeranlagen z.B. PV Systemen oder kleinen bis mittleren Blockheizkraftwerken stattfinden.

Die Mittelspannungsebene ist die Verteilung elektrischer Energie in einer Region – oder hier wird für mittlere Betriebe mit erhöhten elektrischem Energiebedarf der Abgriff über eigene „Trafostationen“ durchgeführt.

Sowohl Nieder- als auch Mittelspannung kann in Überlandleitungen (Freileitung) oder durch Erdkabel zum Verbraucher transportiert werden.

Die Ebene Hochspannung und Höchstspannung ist im Bereich der Weitverkehrsnetze anzutreffen. Sie spielt für die Gebäudeenergie- und daran angegliederte Elektrotechnik keine oder noch nur eine stark untergeordnete Rolle.

Die Unterschiedlichen Spannungsebenen dieser Netze resultieren primär aus der Notwendigkeit gewisse Energiemengen zum Endverbraucher zu transportieren.

Je grösser die Strecke ist, welche es zu überbrücken gilt, desto höher ist auch die Spannung die auf der Leitung anliegt. Die Herleitung der Notwendigkeit der höheren Spannung mit der Fähigkeit bei hoher Spannung eine hohe Leistung zu übertragen resultiert aus dem einfachen Ohmschen Gesetz, welches bereits in vorherigen Abschnitten erläutert wurde.

Netze und Dimensionierung

Die Leiter zur Übertragung der elektrischen Energie stellen ihrerseits nichts anderes dar als elektrische Widerstände, da auch jeder elektrische Leiter einen kleinen Widerstand besitzt. Dieser Widerstand basiert auf dem spezifischen Widerstand eines jeden Materials, die sog. Leitfähigkeit eines Materials.

Für Kupfer ist der spezifische Widerstand angegeben mit dem Wert k=56, ein anderer häufig eingesetzter Leiter im Energietransportnetz ist Aluminium. Dieser Werkstoff besitzt den spezifischen Leitwert von k=58.

Daraus kann nun der reale Ohmsche Widerstand für 1m dieses Leiters berechnet werden. Dabei geht man davon aus, dass ein solcher Leiter 1m lang ist und 1mm² Durchmesser bei 20C° hat.

Vergleicht man nun 1m Kupferleitung mit 1m Aluminiumleitung ergibt sich folgende Berechnung:

Beide Stoffe weisen somit einen nahezu identischen elektrischen Widerstand auf. Dieser scheinbar sehr geringe Leitungswiderstand sorgt nun für eine Erwärmung der Leitung. Abgesehen davon, dass diese Leitungserwärmung einen Verlust der Wirkenergie beim Verbraucher darstellt (bzw. mehr Energie zum Verbraucher übertragen werden muss als dieser benötigt), stellt diese Erwärmung auch eine Gefahr für den Leiter dar. Ist die Erwärmung nämlich zu hoch, droht der Leiter zu schmelzen – außerdem verändert er mit jedem Grad der Temperaturerhöhung seinen eigenen Widerstand, sein Widerstand wird durch Erwärmung höher.

Gerade der letzte Punkt ist ein Punkt, der im späteren Verlauf der elektrischen Gebäudetechnik noch eine größere Rolle bei der Dimensionierung der Leitungswege spielt.

Zurück zum Thema der Energieübertragung vom Erzeuger zum Endverbraucher.

Leitungsberechnung

Wenn der Endverbraucher 100km vom Generator entfernt die elektrische Leistung von 1000 kW benötigt gibt es nun verschiedene Möglichkeiten diese Energie am Ziel bereit zu stellen, die sich aus dem Ohmschen Gesetz ergeben:

Es besteht also die Möglichkeit die Wirkleistung P entweder dadurch zur Verfügung zu stellen, dass die Spannung U erhöht wird oder dass der Strom I erhöht wird.

Bei einem Leiter von 100km (=100000m) mit den haushaltsüblichen 230V ergibt sich bei einem Leiterquerschnitt von 1mm² alleine auf dem Übertragungsweg der folgende Wirkleistungsverlust (rein durch den Eigenwiderstand des elektrischen Leiters):

Die hier ermittelten 4347,82 A Strom müssen also durch die Leitung „gequetscht“ werden um am Zielpunkt die 1000kW elektrische Wirkleistung zu erhalten. Dieser Strom muss den Leiterwiderstand von 1785 Ω durchdringen.

Damit erzeugt er auf dem Leiter eine Wärmeleistung – dieses erkennt man in der folgenden Berechnung:

Diese 31433 W sind die reinen Wärmeverluste auf der Leitung, die keinerlei Nutzen stiften, Verlustleistung genannt. Durch Erhöhung des Leiterquerschnitts kann nun natürlich die Übertragungskapazität des Leiters erhöht werden. Das ist, wie man sich vorstellen kann, nicht endlos möglich. Denn irgendwann hätte man einen dicken Kupferblock in der Landschaft stehen um die notwendige Leistung, welche der Verbraucher benötigt am Ziel zur Verfügung zu haben.

Aus dem Ohmschen Gesetz ist aber erkennbar, dass man bei gleicher Leistung nun entweder den Strom oder die Spannung erhöhen kann.

Den Strom erhöhen geht nicht so einfach, denn am Ziel wird nunmal eine gewisse Leistung gefordert.
Die Spannung aber kann man einfach durch Transformatoren erhöhen. Als Wirkung erhält man, dass der Strom entsprechend im gleichen Mass reduziert werden kann.

Erhöht man z.B. die Spannung auf 10000V bei der gleichen Abnahmeleistung von 1000kW ergibt sich folgendes Bild:

Der so reduzierte Strom wirkt sich direkt auf die zu erwartende Verlustleistung auf der Übertragungsstrecke aus:

Das heißt durch die Spannungserhöhung kann die Verlustleistung signifikant gesenkt werden. Allerdings ist es nun keine Lösung einfach alle Spannungen so extrem hoch zu transformieren, dass die Wärmeverluste gegen 0 tendieren.
Denn neben den Kosten des reinen Leitermaterials sind die Kosten für Isolation und Sicherheitstechnik zu berücksichtigen. Mitunter kann die Wahl eines höheren Leiterquerschnitts die bessere Wahl sein.

Genau dieses, nämlich die Wahl eines anderen Leiterquerschnitts, ist das was in der Gebäudeinstallationstechnik angewendet wird.

Siehe auch