Wieso wird überall Wechselstrom benutzt obwohl doch Gleichstrom verlustfreier transportiert wird?
Guten Abend,
Ich habe gerade durch eine Doku gelernt, dass bei dem Transport von Wechselstrom vielmehr Energie verloren geht bei weiten Strecken als bei Gleichstrom. Dadurch kam bei mir die Frage auf wieso die Hochspannungsleitungen alle mit Wechselstrom laufen und wieso nicht gleich auch alle Geräte mit Gleichstrom betrieben werden um die Umwandlung zu vermeiden...
11 Antworten
Grundsätzlich gilt für jede Übertragung elektrischer Energie:
Wenn elektrischer Strom fließt, dann wird aufgrund des so genannten Ohmschen Widerstandes der Leitungen ein Teil der Energie in Wärme in der Leitung umgewandelt. Am Ende der Leitung kommt also weniger elektrische Energie an als vorne in das System eingespeist wurde. Um diese Ohmschen Verluste so gering wie möglich zu halten, wird der Strom mit hohen Spannungen transportiert. Der Grund für dieses Vorgehen liegt in der Physik.
Das so genannte Joulesche Gesetz besagt nämlich, dass die Wärme, die der Strom erzeugt, proportional ist zum Quadrat der Stromstärke, dem elektrischen Widerstand und der Zeit, während der er fließt. Die Wärmeverluste gehen also mit dem Quadrat der abnehmenden Stromstärke zurück. Dem steht aber entgegen, dass die elektrische Energie, die transportiert werden soll, proportional zum Produkt aus Stromstärke, Spannung und Zeit ist. Würde die Stromstärke gesenkt, um die Wärmeverluste zu reduzieren, würde automatisch die transportierte Energie sinken. Um das zu vermeiden, muss man die Reduzierung der Stromstärke durch eine Erhöhung der Spannung derart kompensieren, dass im Endeffekt das Produkt aus Spannung mal Stromstärke konstant bleibt.
Diese physikalischen Zusammenhänge gelten im Grundsatz sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom.
Die meisten Hochspannungsleitungen werden mit Wechselstrom betrieben: Strom und Spannungen oszillieren periodisch mit einer Frequenz von meist 50 Hz (in Europa). Die Verwendung von Wechselstrom hat den großen Vorteil, dass Transformatoren eingesetzt werden können, um das Spannungsniveau für die Leitung anzuheben und danach bei der Feinverteilung wieder zu senken. Für den Betrieb mit Gleichstrom (Hochspannungs-Gleichstromübertragung, HGÜ) wird technisch kompliziertere Leistungselektronik benötigt, die für sehr hohe Leistungen erst seit einigen Jahren erhältlich sind. Insbesondere werden zur Verbindung von Gleichspannungs- und Wechselspannungssystemen Hochleitungs-Gleichrichter und Umrichter benötigt.
Für den Transport von Wechselstrom ergeben sich allerdings 3 zusätzliche Phänomene, die einerseits zusätzliche Verluste verursachen und außerdem die Leitungslängen für wirtschaftliche Übertragung reduzieren. Bei Distanzen von mehr als einigen hundert Kilometern werden nämlich die Verluste so groß, dass die Kraftwerksleistung praktisch nur noch dazu dient, die Leitungen zu erwärmen. (Bei Seekabeln liegt die Grenze sogar deutlich unter 100 km). Die 3 Gründe dafür liegen im:
kapazitiven Widerstand
induktiven Widerstand
und dem so genannten Skin-Effekt.
Das erste Phänomen hat seine Ursache im schnellen Wechsel der Stromrichtung, beim örtlichen Stromnetz geschieht das 50 Mal pro Sekunde. Dies hat eine ähnliche Wirkung wie das Auf- und Entladen eines Kondensators (einer Kapazität), wofür zusätzliche Ladeströme (so genannte Blindströme) benötigt werden. Dadurch wird ein Effekt erzeugt, als ob ein zusätzlicher, kapazitiver Widerstand auftreten würde. Dieser Effekt ist besonders relevant bei Erd- und Seekabeln, die wegen ihrer Isolierschicht einen größeren Kondensatoreffekt aufweisen und so höhere Verluste verursachen.
Der Induktive Widerstand beruht darauf, dass elektrische Ströme um sich herum stets Magnetfelder erzeugen. Diese müssen in der Frequenz des Wechselstroms ständig neu auf- und abgebaut werden. Auch dafür werden Blindströme benötigt, die sich wiederum als weiterer Widerstand bemerkbar machen.
Beide Widerstandsarten steigen mit der Länge der Leitung bis sie schließlich die Wechselstromübertragung bei größeren Distanzen unwirtschaftlich machen.
Der so genannte Skin-Effekt als drittes Phänomen wird dadurch hervorgerufen, dass durch den schellen Richtungswechsel des Stroms die Elektronen fast nur noch an der Oberfläche der Stromleitung bewegt werden. Dadurch werden ständig dickere Kabel oder mehrere parallele Leitungen erforderlich, was bei großen Transportlängen ebenfalls zu Unwirtschaftlichkeit führt.
Allgemein und stark vereinfacht könnte man sagen, dass die Verluste einer Wechselstromübertragung von 100 km denen einer Gleichstromübertragung von 1000 km entsprechen, abgesehen jetzt von den Grenzen bei der Leitungslänge.
Logische Schlussfolgerung wäre: warum verwendet man nicht gleich überall Gleichstrom?
Dem spricht entgegen:
Gleichstrom in derart großen Leistungen kann nicht so preiswert erzeugt werden wie mit Drehstromgeneratoren
Die wichtigsten Nutzer elektrischer Energie sind Elektromotoren und für den Drehstrommotor gibt es kein brauchbares Gegenstück für Gleichstrom (von teueren Umrüsterlösungen abgesehen).
Die Kleinverteilung im Netz 25kV abwärts würde enorme Kosten verursachen, statt jedem preiswerten Trafo müsste eine elektronische Umrichter-Station installiert werden.
Milliarden bestehender Haushaltsgeräte können nur mit Wechselstrom betrieben werden, weil sie entweder Transformatoren oder Wechselstrommotoren beinhalten.
Mit der Zeit wird sich ein Kompromiss dahin gehend einstellen, dass man auf lange Distanzen mit HGÜ überträgt und dann wieder in die bestehenden Netze einspeist.
Ernsthafte Überlegungen gibt es übrigens auch für ein Overlay-Verteilernetz mit 16,7 HZ (siehe Ausführungen von Prof. I. Erlich; Universität Duisburg-Essen)
Das teilweise bestürzende technische Halbwissen, dass sich hinter diversen Einträgen hier verbirgt hat mich dazu bewogen ein kleines Glossar der wüstesten Falschmeldungen zusammen zu stellen:
@Postkarte „Wechselstrom ist im Betrieb günstiger als Gleichstrom, weil er sich verlustarm transportieren lässt.“
FALSCH: Wechselstrom verursacht die größeren Verluste bei der Übertragung:
@mickyonline „der Ohmsche Widerstand (R) wird also bei kleiner werdender Spannung (U) größer, und bei größer werdender Spannung kleiner. Das bedeutet, der Ohmsche Leitungswiderstand wird kleiner, je höher die Spannung ist.“
FALSCH: der Ohmsche Widerstand der Leitung hängt von der Auslegung ab und wird nicht durch die Spannung reduziert. Das Ohmsche Gesetz ist ein (naturgesetzmäßiger) fester Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand, hat aber keinen Einfluss darauf.
@Ragnar12983 „…aber mit entsprechenden Stromrichtern (Thyristoren und Hochleistungs-FETs) wandeln. Und das verlustärmer als sich Wechselstrom transformieren lässt. „
FALSCH: Moderne Mittelspannungstransformatoren nach DIN 42500 - Reihe C kommen auf unter 70% der dort zugelassenen Verluste. Ein moderner 800 kVA Trafo erreicht so Leerlaufverluste um rund 600 Watt und Kurzschlussverluste von etwa 7,3kW. Der Wirkungsgrad liegt demnach bei etwa 99%. HGV Thyristor-Kaskaden liegen bei rund 1,5% Verluste. Hochleistungs-FETs sind in der HGÜ falsch am Platz, die fühlen sich besser bei Hochfrequenz. Die geeigneten Bauelemente für HGÜ Umrichter sind: Hochleistungs-Thyristoren oder die IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)–Technik.
@kritiker111 „die meisten Motoren arbeiten aber netzsynchron - so genannte Synchronmotoren „
FALSCH: Die meist verwendeten Motoren weltweit sind Asynchronmotoren, sie arbeiten mit einem Schlupf von einigen Prozent (je nach Größe) zur Netzfrequenz
@ScyllaCharybdis „weil man Gleichstrom besser transformieren kann !
FALSCH: Gleichstrom kann man überhaupt nicht transformieren (bestenfalls umrichten)
@ScyllaCharybdis „Ich glaube, weil man dann nur so einen Transistor braucht (so ein Blechpaket mit viel Draht drumgewickelt)“
FALSCH und hitverdächtig FALSCH: Ein Transistor hat kein Blechpaket und wäre auch in einer HGÜ falsch am Platz. Das mit dem Blechpaket und Wicklungen ist ein Trafo und den kann man bei Gleichstrom erst recht nicht gebrauchen.
@Stechschritt „Ich weiss bloss dass Wechelstrom nicht so gefährlich ist. Will natürlich da auch keinen Schlag kriegen“
FALSCH: Wechselspannung ist immer gefährlicher als Gleichspannung (bei gleicher Scheitelspannung)
@ ScyllaCharybdis “Stromspannung ist immer gefährlich.“
FALSCH: Es gibt eine „elektrische Stromstärke“ in Ampere als SI Basiseinheit und eine elektrische Spannung (auch elektrisches Potential bzw. elektromotorische Kraft) in Volt als abgeleitete Einheit. Den Begriff „Stromspannung“ gibt es nicht und elektrische Spannung ist erst ab einer gewissen Spannungshöhe gefährlich.
Ob Strom gefährlich ist, liegt nicht nur an der Spannung, sondern ist ein Zusammenspiel zwischen Strom Spannung, Stärke und dessen Frequenz sowie den genaueren Umständen des Unfalls. So ist ja bekanntlicherweise ein Stromschlag, durch Aufladung am Teppich nicht gefährlich, obwohl da Werte von 30000 Volt keine Seltenheit sind.
Mehr Infos hab ich hier gefunden:
https://nawi.blogbasis.net/wann-wird-elektrischer-strom-fuer-den-menschen-gefaehrlich-06-08-2013
Ich habe gerade Deine sehr profunde und detaillierte Antwort zum Thema Gleich- und Wechselstrom gelesesen. Sie hat mir wirklich weitergeholfen, da ich genau die gleiche Frage hatte.
Das ist offensichtlich ein Zitat.
Bei Zitaten hier sollte unbedingt die Quelle angegeben werden, sonst könnte es erhebliche rechtliche Probleme für gf.net geben.
das ist kein einzelnes Zitat sondern eine Zusammenfassung zu etwa 2/3 aus fünf unterschiedlichen Quellen und zu einem Drittel aus eigenem Bestand.
Da hier nur ein Link angeben werden kann ist ein vollständiger Querverweis kaum möglich.
Wechselstrom ist im Betrieb günstiger als Gleichstrom, weil er sich verlustarm transportieren lässt. Entweder hat die Dokumentation Quatsch erzählt oder sensationelle Neuigkeiten oder du hast sie falsch verstanden.
Die Dokumentation hat keinen Unsinn erzählt. HGÜ ist eine sehr moderne Übertragungstechnik. Lies mal: http://tinyurl.com/384oxma
Übrigens - so neu ist die HGÜ auch wieder nicht! Nur heute technisch "einfacher" und etwas besser zu beherrschen...
wenn du den artikel gelesen hättest, wäre dir nicht entgangen, dass die gleichtsromübertragung sehr viel aufwendiger ist, als die übertragung von wechselstrom und nur in ausnahmefällen sinnvoll ist.
Möchte diesen Frage mal benutzen um diese zu konkretisieren für meinen Fall. Mein Fall ein Windrad 3P Unenn 12V Imax 3x 12A Leitungslänge 100m. Frage habe ich weniger Verluste wenn ich vor Ort (am Windrad) Gleichrichte und Glätte? meiner Logik her ja da von den Kapazitiven Verlusten mal abgesehen auch keine Stromspitzen und damit Verlustspitzen wie bei Wechselspannung auftreten. Antworten von Usern die meinen Gleichspannung lässt sich besser Transformieren sind nicht erwünscht xD.
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ist eine relativ neue Technik, d.h., die dafür erforderlichen Hochleistungs-Thyristoren bzw. IGBTs gibt es erst seit etwa 20 Jahren.
Siehe auch: http://tinyurl.com/384oxma
Gruß Ragnar
Und "die Umwandlung vermeiden" geht ja kaum - keiner will eine 100 kV-Leitung ins Wohnzimmer haben. D.h., man muss die Spannung auch wieder herunterwandeln - und das schrittweise aus dem Höchstspannungsnetz über Hochspannungsnetz und Mittelspannungsnetz in das Niederspannungsnetz (http://de.wikipedia.org/wiki/Stromnetz#Spannungsebenen) und das geht halt immer noch am einfachsten mit Transformatoren - also mit Wechselspannung.
Mal abgesehen davon, dass es eine riesige Investition wäre, alle Netze entsprechend umzurüsten. Insbesondere müsstest du dann auch praktisch alle Elektrogeräte wegwerfen (vielleicht bis auf den Toaster) und neu kaufen. Möchte wissen, was du zu diesem Ansinnen sagen würdest...
Gruß Ragnar
100 kV an der Steckdose wären interessant! Wie weit müssten dann die "Steckdosenlöcher" auseinander sein, dass kein direkter Überschlag erfolgt?
Und beim Abziehen des Steckers gäbe es och einen meterlangen Funkenflug! Silvester pur in der Wohnung :-)
Der Transport ist auch mit Wechselstrom einfacher - zudem ist Wechselstrom sehr einfach in andere Spannungen zu transformieren, was bei Gleichstrom (vor allem hohen Spannungen und Strömen) sehr komplex und sehr verlustbehaftet wäre.
Du kannst auch keine 230 Volt über große Strecken transportieren, da dabei erhebliche Leistungsverluste auftreten - zudem müsstest Du dann Kabel mit extremen Querschnitten wegen des dann notwenigen extrem hohen Stroms verwenden. Also musst Du die Spannung immer wieder für den "jeweiligen Verbraucher" reduzieren - je höher der Verbrauch ist, desto höher die Spannung, damit der Strom geringer gehalten werden kann.
Motoren mit Gleichstrom betrieben müssten geregelt werden, damit sie eine konstante Drehzahl einhalten - die meisten Motoren arbeiten aber netzsynchron - so genannte Synchronmotoren - die mit der konstanten Netzfrequenz auch konstant ihre Drehzahleinhalten. Vor allem braucht ein Motor ein Magnetfeld und auch das ist mit Wechselstrom einfacher zu steuern.
das mit dem "einfachen Transport" von AC stimmt auch nicht so ganz: a) als Gesamtsystem zwischen Kraftwerk und Verbraucher betrachtet, stimmt es in konventionellen Größenordnungen/Entfernungen (weil Trafo/Gleichrichter so weit beherrschbar und entwickelt sind, aber WECHSELRICHTER zb mit Thyristoren bei großen Stromstärken schon elendige Verlust bzw. überhaupt Grenzen haben) aber b) der einfachste und beste Transport findet OHNE jegliche Gleichrichter/Wechselrichter statt, also * Gleichstrom von der Photovoltaik (am besten nebenan und nur fürs Telefonladen bzw. die Waschmaschine in der Schutzhütte am Berg als Ausnahmefall) bzw. * Wechselstrom von Wind-/Wasserturbine zum AC Verbraucher wobei c) wesentliche Nachteile von HWÜ beseitigt werden können, indem Kabelstränge auf Distanz auseinander gelegt werden (keine kapazitiven und Magnetfeld-Interaktionen) -- was jedoch bleibt, ist der Magnetfeld-Aufbau bzw. -Wechsel 50x/Sekunde, der aber an sich trägheits- und verlustlos bleibt, solange nicht in der Umgebung "Leistung entnommen" wird, zb durch Induktions-/Wirbelstrom- und andere Effekte in der örtlichen Umgebung, beim Kabel also in Erde oder Meerwasser -- d) und wesentliche Vorteile von HGÜ verbessert werden können, indem GleichstromGeneratoren und GleichstromMotoren verwendet werden (statt der heute üblichen Wechselstromtechnik an allen Enden; eine solche System-Umstellung sollte aber eher mit Parallelnetzen angegangen werden, als mit Planungshysterie einen "Systemwechsel" zu provozieren)
denn was mir in der gesamten Literatur fehlt, ist Weiterentwicklung/kommerzielle Verfügbarkeit von GLEICHSTROMturbinen -- http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrischer_Generator#Erste_Stromerzeugung_durch_Induktion ... so etwas gibt es ! --
und besonders idiotische Verluste produzieren die "GleichstromStrecken" in heute "üblichen" Schaltstellen von "Verbund"Netzen zur Last"Verteilung": da wird Wechselspannung zuerst in Gleichspannung "gleichgerichtet" (das ist noch nicht so ein Problem, die Verluste sind noch tolerierbar wenn auch unnötig) denn um Kraftwerke zu- oder abschalten zu können, muss Strom "verteilt" werden und (bei Wechselspannung) dessen Frequenz synchronisiert werden, damit nicht nur Blindleistung "produziert" wird: bei exakt 180 Grad Phasendifferenz fliesst beim Zusammenschalten von 2 Leitungen kein Strom mehr, es findet zwar keine Erwärmung statt aber es kann auch keine Leistung entnommen werden (bei Drehstrom mit halbwegs symmetrischer Belastung macht man sich das zunutze, indem nicht nur alle 3 Null-Leiter als vierte Leitung zusammengefasst werden -- wie im Schaltkasten des Haushalts -- sondern bei Fernleitungen der Null-Leiter überhaupt weggelassen werden kann)
Das mit den Motoren stimmt nicht so ganz, die meisten Elektromotore sind Asynchronmotore.
Ich meinte eigentlich nicht die Kleinmotoren... Nur habe ich diesen Teil noch nachträglich angefügt, als der "Countdown" bereits lief.... Das hat nicht mehr so richtig geklappt.
da sind aber ein paar sehr unnötige Wortklaubereien dabei: zb bei "Transistor" und "Transformator" wurde doch offensichtlich vertippt oder schlicht das falsche Wort hineingeschrieben? zb statt zu tüfteln, ob irgendwas "gefährlicher" ist, sollte man sich vor allem "STROM BEISST" merken, und zwar (irgendwo richtig gefunden) ab ca. 50 Volt; aber mit trockenen Händen wurde auch 220 V schon überlebt, wogegen auf der Zunge auch 4,5 V einer Blockbatterie wegen der elektrolytischen Vorgänge im Mund schon unangenehm spürbar sind ...