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Schule > Physik > Elektrizität und Energie > Die Funktionsweise des Stromnetzes in Deutschland

Das Stromnetz in Deutschland

Vom Kraftwerk zum Haus
Heutzutage ist es für die meisten selbstverständlich Strom zu haben. Strom gibt es überall, doch wie funktioniert das Deutsche Stromnetz eigentlich?
Die Energie, die heute überall benötigt wird, kommt aus Kraftwerken. Da sich Strom weder speichern noch auf Vorrat produzieren lässt, muss er also genau dann vom Kraftwerk produziert werden, wenn er benötigt wird. Deshalb ist es notwendig, die Erzeugung dem Verbrauch anzupassen. Die Beanspruchung der Kraftwerke variiert ständig. Doch es gibt auch voraussehbare Änderungen. So ist z.B. der Strombedarf im Winter höher als im Sommer und in der Nacht niedriger als am Tag. Deshalb gibt es z.B. auch Pumpspeicherkraftwerke, welche in der Nacht den Strom, der produziert, jedoch nicht benötigt wird, dazu nutzen, Wasser aus einem See in ein Höher gelegenes Staubecken zu pumpen. Wenn mehr Strom gebraucht wird lässt man dieses gespeicherte Wasser wieder nach unten stürzen, leitet es durch Turbinen und erzeugt so Strom.
Doch was passiert nun, wenn das Kraftwerk, das eine Stadt versorgt, ausfällt? Gibt es dann in der gesamten Stadt einen Stromausfall? Für solche Fälle gibt es einen Verbund zwischen den Kraftwerken. Es gibt ca. alle fünf Monate Ausfälle oder Störungen bei jedem großen Kraftwerk. In diesem Fall stehen andere Kraftwerke bereit um diesen Verlust auszugleichen. Natürlich werden hierfür weitere Leitungen benötigt. Dies wurde auch bei der Planung des deutschen Stromnetzes berücksichtigt indem ein Verbundnetz aufgebaut wurde.
Die in Kraftwerken erzeugte elektrische Energie hat normalerweise ca. eine Spannung von 6-26 kV.
Was passiert nun also, dass die Energie zum Verbraucher kommt. Würde einfach vom Kraftwerk eine Leitung zum Haus führen, würde es zu erheblichen Verlusten kommen. (Formel für Verlustleitung: Pv= U*I²) Deshalb wird anders verfahren, indem man die Spannung auf einen höheren Wert transformiert.

Im heutigen Stromnetz unterscheidet man vier Spannungsebenen:

Höchstspannungsnetz:
Da die Verluste sehr teuer wären, wenn es keine Transformatoren geben würde wird zunächst mit diesen auf eine Spannung von 220kV bzw. 380 kV hochtransformiert. Mit dieser hohen Spannung werden die längsten Strecken des Stromnetzes innerhalb Deutschlands überbrückt, da die Verluste umso kleiner sind, je höher die Spannung ist. Insgesamt gibt es 36.000 km von dieser Art Leitung in Deutschland.

110-kV-Hochspannungsnetz:
Dieses Netz versorgt größere Gebiete oder Ballungszentren. Die Energie, die in dieses Netz eingespeist wird, kommt entweder vom Höchstspannungsnetz oder direkt aus dem Kraftwerk. Große Industriebetriebe beziehen ihre Energie direkt von dieser Spannungsebene. Insgesamt gibt es in Deutschland 75.000 km dieser Leitung.

Mittelspannungsebene:
Diese Leitungen dienen zur feineren Verteilung. In Umspannwerken wird die Spannung des Hochspannungsnetzes auf Spannungen zwischen 5 und 40kV gesenkt. 490.000 km Kabel gibt es hierfür in ganz Deutschland. Aus diesem Netz beziehen einerseits Industriebetriebe ihre Energie, andererseits führen diese Leitungen auch zu den Ortsnetztrafostationen.

Niederspannungsnetz:
In den Ortsnetztrafostationen wird die elektrische Energie aus der Mittelspannungsebene auf 230 V, wie in jedem Haushalt üblich, transformiert. Dieses Netz versorgt die Haushalte in ganz Deutschland. Auf dieser Ebene gibt es auch die meisten Leitungen in Deutschland: insgesamt mehr als 1 Mio. Kilometer. Meistens werden in dieser Ebene Erdkabel eingesetzt, jedoch gibt es in ländlicheren Gebieten auch Freileitungen.
Insgesamt ergibt sich in Deutschland, wenn man alle Kabel der vier Spannungsebenen hintereinanderlegen würde, eine Länge von über 1.600.000 km! Das wäre ca. 40 Mal am Äquator um die Erde!

Die Leitungen:
Für die Energieübertragung gibt es 2 verschiedene Arten von Leitungen: Freileitungen und Erdkabel.

Freileitungen:
Meist bestehen die Leiterseile von Freileitungen aus einem Stahlkern mit einem Mantel aus Aluminium, der gut leitet. Der Querschnitt der Leitungen ist unterschiedlich und hängt von der erwarteten Stromstärke ab. Die Seiltemperaturen liegen im Durchschnitt bei ca. 40°C. Auch sind die mechanischen Belastungen, denen ein solches Seil standhalten muss, sehr hoch. Bei Vereisungen im Winter kann die Belastung bis zu 2 ½ Mal so hoch sein, wie unter normalen Umständen.

Erdkabel:
Erdkabel kommen häufig in Städten zum Einsatz, weil dort nicht genügend Platz vorhanden ist um Freileitungen zu errichten. Meist sind es jedoch Mittel- und Niederspannungskabel, die unterirdisch verlegt werden. Bei Erdkabeln sind die Leiter isoliert und durch einen Schutzmantel geschützt. Heutzutage werden Höchstspannungsleitungen durch einen Ölmantel geschützt und isoliert. Diese Kabel nennen sich Niederdruckölkabel.
Man könnte meinen, Erdkabel seien besser, da sie wesentlich weniger Platz benötigen als Freileitungen. Allerdings kostet das Verlegen von Erdkabeln das 10-12-fache einer Freileitung. Außerdem ist die Problembehebung bei Erdkabeln viel schwieriger und aufwendiger als bei einer Freileitung.

Schalter im Hochspannungsnetz
Wenn nun das Gesamte System ohne Fehler für immer funktionieren würde, würde man keine weiteren Bauteile benötigen. Allerdings brauchen auch Leitungen manchmal Wartung damit es nicht zu Störungen kommt. Natürlich kann es trotz Wartungen manchmal zu Störungen kommen. In beiden Fällen muss man die Leitungen abschalten können, und hierfür gibt es Schalter. Man unterscheidet 2 Arten von Schaltern: Trennschalter und Leistungsschalter. Während Leistungsschalter auch unter größter Strombelastung die führenden Leitungen abschalten müssen, werden Trennschalter nur leistungslos geschaltet, d.h. wenn kein Strom fließt.

Trennschalter:
Trennschalter werden meistens bei Instandhaltungsarbeiten genutzt, damit diese ohne Gefährdung der Arbeiter durchgeführt werden können. Trennschalter sind immer auf der spannungsführenden Seite der Schaltanlage. Die Schaltgeschwindigkeit dieser Schalter ist sehr gering. Bei Spannungen unter 30kV kann der Schaltvorgang sogar per Hand erfolgen.

Leistungsschalter:
Diese Schalter müssen im Gegensatz zu den Trennschaltern auch bei sehr hohen Strömen die Leitungen abschalten können z.B. im Kurzschlussfall. Im Normalfall fließen in einer Höchstspannungsleitung 1.000 - 2.000 Ampere, bei einem Kurzschluss bis zu 50.000. Beim öffnen des Schalters würde ein Lichtbogen entstehen, der bis zu 10.000°C heiß werden kann und so den gesamten Schalter zerstören würde. Deshalb brauchen Leistungsschalter eine Vorrichtung um diesen zu löschen. Ebenfalls im Gegensatz zum Trennschalter steht die Schnelligkeit des Schaltvorgangs. Beim Leistungsschalter werden die Teile des Schalters in 50 – 100 Millisekunden getrennt. Die Kräfte, die dafür nötig sind werden meist entweder von Druckluftantrieben oder Hydraulikantrieben erreicht.

Stromausfälle:

Neben Störungen am Kraftwerk können Stromausfälle verschiedene andere Ursachen haben. Hier einige Beispiele:

Vereisung:
Im Winter kann es vorkommen, dass sich eine Eisschicht um eine Leitung bildet. Mit der Eisschicht kann die Leitung mehr als ihren doppelten Durchmesser bekommen und sie kann mehr als 2 ½ Mal so viel wiegen wie unter normalen Umständen. Dadurch könnten die Haltevorrichtungen an den Masten reißen. So wird die Energieübertragung unterbrochen.
Wenn dies nun bei einer Leitung passiert bekommen die Masten Übergewicht zu einer Seite und stürzt deshalb um. Daraufhin kann es zu einer Kettenreaktion kommen, in der ein Mast nach dem anderen umstürzt.

Bäume:
Wenn Bäume auf Stromleitungen fallen verursachen sie einen Kurzschluss und so Störungen im Stromnetz. Normalerweise kommt es zwar überwiegend bei Mittel- und Niederspannungsleitungen zu solchen Unfällen, allerdings wurde auch getestet, welche Auswirkungen es auf 380-kV-Leitungen hat.
Zunächst fließt nur ein geringer Strom, da der Widerstand eines Baumes sehr Hoch ist. Dieser Strom ist jedoch nicht genug um eine automatische Abschaltung zu bewirken. Später steigt jedoch die Stromstärke an und führte so zu einem Lichtbogenüberschlag. Bei dieser Spannungsebene können dabei Kurzschlussströme zwischen 5000 und 15000 A hervorgerufen werden.
Diese beiden Beispiele sind die häufigsten Ursachen von Störungen im deutschen Stromnetz. Im Durchschnitt muss jeder Haushalt in Deutschland allerdings nur 15 Minuten Stromausfall im Jahr ertragen. Denn durch das Verbundnetz innerhalb Deutschlands kommt es trotz Störungen nur selten zu längeren Stromausfällen.
27.12.2005; Alina Stürck

Quellen:
www.quarks.de,
www.wikipedia.de,
www.verbund.at
Microsoft Encarta Professional 2002,
Energiewelten (CD-Rom)
Pumpspeicherkraftwerk
Trennschalter
Leistungsschalter

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