Energieversorgung

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Energieversorgung

Energieversorgung
Energieversorgung

Ich (Bacher Oliver) bin eigentlich Informatiker, habe aber auch eine Ausbildung als Elektriker hinter mir. Ich beschäftige mich seit über 10 Jahren als Hobby mit Elektronik und auch mit dem europäischen Verbundsystem (EV).


In diesem Artikel geht es vorwiegend darum, für einen bewussteren Umgang mit elektrischer Energie. Eine Wattstunde (Wh) kann man nicht sehen oder auch nicht anfassen. In vielen Menschen ist nicht bewusst, welcher Aufwand nötig ist um eine Gigawattstunde (GWh) zu erzeugen und zum Verbraucher zu transportieren.

Hier wird nicht erklärt, wie man die Wirkleistung, Blindleistung oder die Scheinleistung (Cos phi) berechnet. Auch wie ein Generator, Wechselstrommotor oder Drehstrommotor funktioniert, dies kann alles auf Wikipedia nachgelesen werden.


Einfach einen Generator anwerfen und der Strom kommt aus der Steckdose. So einfach ist es bei einem Verbundnetz wo viele Länder synchron geschaltet sind, leider nicht. Jedes Verbundsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass darin alle Erzeuger wie Kraftwerke synchron, also mit entsprechender Phasenlage und natürlich mit identischer Netzfrequenz arbeiten.


Das größte Problem bei der Energieproduktion ist, dass exakt die elektrische Leistung erzeugt werden muss die auch benötigt wird. Einfach ausgedrückt, wird zu viel Energie erzeugt (Unterlast) oder zu viel Energie benötigt (Überlast) schaltet sich im schlimmsten Falle des gesamte Verbundnetz automatisch ab (Liste historischer Stromausfälle). Dies ist eine Sicherheitsvorkehrung, dass der Frequenzbereich bei 50 Hertz bleibt. Natürlich ist dies nur in der Theorie möglich, deshalb ist eine kurzzeitige Toleranz von nur +-2,5 Hertz erlaubt.

Wechselstrom

Die Wechselstromtechnik ist auf Nikola Tesla zurückzuführen. Es ist egal wo man sich auf der Welt befindet, es ist Wechselstrom im Einsatz. Nur die Spannung (100 V - 240 V) sowie die Frequenz (50 Hz / 60 Hz) unterscheiden sich. Ohne den Wechselstrom wäre auch mit heutiger Technik (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung), die Stromversorgung nicht möglich.


Der grundlegende Vorteil beim Wechselstrom ist, dass er ohne Probleme transformiert werden kann (z. B. Mittelspannung: 20 kV auf Niederspannung: 400 V). Die maximale Spannung der Stromtrassen im europäischen Verbundsystem beträgt 400 kV (400.000 Volt). Dadurch ist es erst möglich die elektrische Energie mit relativ dünnen Leitungen (hohe Spannung / wenig Strom) und verlustarm zum Verbraucher zu transportieren. Diese werden in Zukunft mit Sicherheit von HGÜ-Stromtrassen übernommen. Mit dieser neuen Technologie lassen sich die Transportverluste noch mehr reduzieren.


Ein weiterer Vorteil ist, dass jedes einfache Messgerät die Frequenz messen kann und die Netzbetreiber wissen sofort, ob Energie in das Stromnetz eingespeist werden muss (Frequenz < 50.00 Hz) oder Energie entzogen werden muss (Frequenz > 50.00 Hz). Aufgrund der Frequenz kann man die Drehzahl eines Generators oder auch Motors berechnen, sofern man die Polpaarzahl kennt.

Netzfrequenz

Natürlich ist nicht jeder ein Elektriker, so versuch ich mal die Wichtigkeit einer stabilen Netzfrequenz etwas anders zu erklären.

Beispiel 1

Wie bereits erwähnt, ist die Geschwindigkeit von elektrischen Motoren abhängig von der Frequenz. Die meisten Maschinen benötigten eine exakte Drehzahl für eine korrekte Arbeitsweiße.

Beispiel 2

Einige Uhren wie z. B. beim Backofen verwenden die Frequenz, um eine Sekunde zu berechnen. Die Uhr erkennt eine Sekunde daran, dass sich der Sinus beim Wechselstrom 50mal (50 Hertz) geändert hat.


Wer hat an der Uhr gedreht?

Zu diesem Video muss man noch dazu sagen, dass die Abweichung der Zeit wieder aufgeholt werden muss. Das Stromnetz wird meistens bei kalten Wintertagen überbelastet. Die Netzfrequenz sinkt und die Uhr läuft langsamer. Sobald es möglich ist, wird mit Überproduktion an elektrischer Energie diese Zeit aufgeholt (Frequenz > 50.00 Hertz). Einfacher vergleichen kann man es, mit einem Kredit der Stromerzeugung. Wenn der Kreditrahmen überzogen wird, hat dies einen kompletten Blackout des gesamten europäischen Stromnetzes zur Folge.

Messung (Netzfrequenz)

Sicherheit

Aus dem gigantischen Blackout am 4. November 2006 hat man einige zusätzlich Sicherheitsvorkehrungen eingeführt. Damals hatten sich die Netzbetreiber nicht korrekt abgesprochen. Es wurden gleich zwei Stromtrassen mit einer Spannung von 380 kV (380-kV-Ems-Freileitungskreuzung) abgeschaltet. Der Grund dafür war, dass ein neues Schiff aus der Werft diese passieren konnte (Überschlag).


Es wurde zu spät bemerkt, dass weitere Stromtrassen dadurch in Überlast gingen und bevor die Stromtrassen beschädigt werden (glühen), schalteten die Überlastsicherungen diese automatisch ab. Dies hatte einen sogenannten Kaskadeneffekt (Lawineneffekt) zur Folge. Einfach ausgedrückt, es schalteten sich wegen der Überlastung immer mehr und schneller die Stromtrassen ab.


Die Schweiz, der Stromspeicher Europas wird die Drohung gegenüber der EU mit Sicherheit umsetzten, dass sie bei einem Blackout auf "Inselbetrieb" umschalten. Die Schweiz kann sich nämlich ohne Probleme mit den Wasserkraftwerken und Atomkraftwerken 365 Tage im Jahr selbst versorgen.


Die Netzbetreiber können mittlerweile auch bei einem bevorstehenden Blackout, die Großabnehmer (z. B. elektrische Hochöfen) vom Netz nehmen, um es zu stabilisieren.

Photovoltaik

Photovoltaik (6,3kWp)
Photovoltaik (6,3kWp)

Bei einer Photovoltaikanlage müssen sich die Wechselrichter ebenso mit dem Verbundsystem synchronisieren. Deshalb kann auch diese nicht genutzt werden, wenn die Stromversorgung ausfällt.


Die Ausnahme ist, wenn die Anlage einen Stromspeicher besitzt, somit ist ein sogenannter Inselbetrieb möglich. Der Energiespeicher dient in diesem Falle als Notstromversorgung. Ist die Stromversorgung wiederhergestellt, wird die Phasenlage angepasst und die Wechselrichter synchronisieren sind wieder mit dem Verbundsystem.

Stromverbrauch

Aufzüge

Aufzüge sind in der Regel für ältere Menschen sowie für Menschen mit Behinderung gedacht und natürlich auch für den Transport von Waren. Bei einem Hochhaus mit vielen Stockwerken ist dies logischerweise eine andere Sache.


Ich nehme immer die Treppe solang nur 5 Stockwerke zu überwinden sind. So spart man nicht nur wertvolle Energie, sondern auch einmal wöchentlich das Fitnessstudio.

Beleuchtung

LED-Lampen (12 Volt)
LED-Lampen (12 Volt)

Bei der Beleuchtung gibt es mittlerweile gute Alternative. Die hochwertigen LED-Leuchtmittel (höherer Preis) sparen nicht nur viel Energie, sondern haben auch eine hohe Lebensdauer. Diese Leuchtmittel kann jeder selbst austauschen, dafür wird kein Elektriker benötigt.

  • Es ist zu beachten ob dimmbare LED-Lampen benötigt werden.
  • Einige elektronische Transformatoren (12 Volt LEDs) benötigen für die Funktion eine sog. Mindestlast.

Stromaufteilung

Hier eine ältere Statistik (ohne Elektromobilität) der Stromaufteilung.

  • Bevölkerung (Hausanschlüsse)
  • Industrie (Großabnehmer)
  • Verkehrswesen (U-Bahnen, Züge usw.)
Stromaufteilung (ohne Elektromobilität)

Stromproduktion

Kochplatte (ca. 1400 W)
Kochplatte (ca. 1400 W)

Es ist nicht ganz einfach zu erklären, welcher Aufwand nötig ist um eine GWh (1.000.000.000 Wh) zu erzeugen.


Ein durchtrainierter Radfahrer schafft es 100 Wh zu erzeugen. Es muss mit dem Fahrrad eine Lichtmaschine (Gleichstrom / DC) oder ein Generator (Wechselstrom / AC) mit einer Leistung von 100 Watt eine Stunde lang betrieben werden.


Das größte Wasserkraftwerk in China (Drei-Schluchten-Talsperre) hat eine maximale Leistung von 22,5 GW. Der Spitzenverbrauch von Italien lag im Sommer (Kühlhäuser, Klimaanalgen usw.) bei ca. 18 GW. Die Leistung dieses Wasserkraftwerkes kann mit 16 Atomkraftwerken verglichen werden.


Der letzte Reaktorblock im Kernkraftwerk Tschernobyl wurde nicht ohne Grund erst am 15.12.2000 abgeschaltet. Eine Dauerleistung von 925 MW ist auch mit heutiger Technik nicht ohne weiteres zu ersetzen. Das Problem bei regenerativer Energieproduktion ist weiterhin die sogenannte Grundlast.


Eine größere Windkraftanlage (offshore) hat eine Leistung von etwa 7 MW und dies natürlich nicht 24 Stunden am Tag. Mal angenommen, der Wind weht 24h/Tag wird ein offshore Windpark mit 132 Windkrafträdern benötigt um einen Reaktorblock zu ersetzten.


Die etwas größeren Kohlekraftwerke haben eine Dauerleistung von etwa 500 MW.


Die Atomkraftwerke und auch Kohlekraftwerke sind nicht geeignet, um das Stromnetz zu stabilisieren. Die Reaktoren können nicht in kurzer Zeit hoch- bzw. niedergefahren werden. Dies gilt auch bei einem abgeschalteten Kohlekraftwerk. Bis dieses ans Netz gehen kann, vergehen einige Stunden. Die Heizkessel müssen angefeuert werden, um daraus Dampf zu erzeugen, der die Dampfturbinen antreibt.


Für die Stabilisierung werden Pumpspeicherkraftwerke, Wasserkraftwerke (Stauseen), Ölkraftwerke sowie auch Gaskraftwerke verwendet. Diese können relativ schnell Energie ans Stromnetz liefern. In einigen Ländern werden bereits neue Batterie-Speicherkraftwerke getestet, diese können das Stromnetz beinahe in Echtzeit stabilisieren.

Fotos

Komponenten

Siehe auch

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