Anschluss Baltic Cable (ColaBear, CC-by-sa)

Warum erfolgt Stromübertragung bei hohen Spannungen?

Aus unseren Steckdosen kommt Wechselstrom, durch Hochspannungsleitungen fließt künftig dagegen wohl vor allem Gleichstrom. Warum ist das so?

Ein elektrischer Strom besteht aus der Bewegung von Elektronen in elektrischen (meist metallischen) Leitern. Dabei wird elektrische Energie vom Stromerzeuger, zum Beispiel vom Kraftwerk, zum Stromnutzer transportiert. Dies kann auf zwei verschiedene Arten geschehen: Im Fall des Gleichstroms fließen die Elektronen über eine Leitung zum Nutzer hin, geben dort einen Teil ihrer Energie ab und fließen dann über eine zweite Leitung wieder zum Stromerzeuger zurück. Im Fall des Wechselstroms gibt es diesen gleichförmigen Strom der Elektronen nicht. Sie wechseln vielmehr in beiden Leitungen kontinuierlich ihre Richtung mit einer festen Frequenz (in Europa 50 Mal pro Sekunde), wobei ebenfalls Energie an den Nutzer abgegeben wird.

Hohe Spannung, weniger Verluste

Wenn ein solcher Strom fließt, dann wird aufgrund des so genannten Ohmschen Widerstandes der Leitungen ein Teil der Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt. Elektrische Heizöfen beruhen auf diesem Effekt. 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.

Vor- und Nachteile von Wechselstrom

Als gegen Ende des 19. Jahrhunderts vor allem in Amerika und Europa die Stromnetze aufgebaut wurden und immer größere Reichweiten annahmen, da war der Einsatz von Transformatoren (und damit die Nutzung von Wechselstrom) die einzige technische Möglichkeit, um hohe Spannungen zu erzeugen und diese Spannungen dann beim Zielort wieder auf das dort benötigte Niveau herunter zu setzen. Durch die laufende Weiterentwicklung der Transformatortechnik hat sich diese Struktur des Transports elektrischer Energie durch Wechselstrom praktisch nicht mehr grundlegend verändert, obwohl im Laufe der Zeit weltweit auch einige Gleichstrom-Übertragungsanlagen gebaut worden sind.

Diese Situation beginnt sich jetzt jedoch zu ändern, denn bei genauerem Hinsehen hat der Energietransport über Wechselstrom auch einige Nachteile. 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 Gründe dafür liegen in drei verschiedenen Phänomenen, die für Wechselstrom spezifisch sind: Der kapazitive Widerstand, der induktive Widerstand und der so genannte 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.

Vor- und Nachteile von Gleichstrom

Diese drei Verlustquellen treten bei Gleichstrom nicht auf. Hier hat man es nur mit den unvermeidlichen Ohmschen Verlusten zu tun. Der genaue Wert hängt von Technologie und Spannungsniveau ab. Er liegt bei sehr hohen Spannungen bei etwa 3 Prozent pro 1000­ km. Dazu kommen als weitere Verlustquellen Umwandlungen in den Kopfstationen, in denen Gleichstrom erzeugt oder wieder in Wechselstrom für die örtlichen Anforderungen umgewandelt wird. Diese Art von Verlusten ist wesentlich geringer als bei Wechselstrom und ermöglicht deshalb Stromtransporte auch über mehrere tausend Kilometer. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Konverterstationen noch einen hohen Kostenfaktor ausmachen.

Deshalb benötigt diese so genannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) derzeit noch eine gewisse Mindestlänge, um wirtschaftlich zu werden. Hierfür bieten sich Situationen an, wo der Ort der Stromerzeugung sehr weit vom Ort der Stromnutzung entfernt ist, wie in Kanada oder im Fall der Elektrizitätsversorgung Europas durch Solarstrom aus der Sahara. Da der Transport mit Wechselstrom durch Seekabel bei unter 100­ km seine Grenzen hat, wird die HGÜ bereits heute schon zwischen den Britischen Inseln, Skandinavien und Mitteleuropa eingesetzt. Sie wird auch ein Schlüsselfaktor sein für die regenerative Stromerzeugung durch große Off-Shore Windparks.

Ein Beispiel dafür ist das so genannte Seatac-Projekt. Mit ihm wollen zukünftig die Anreinerstaaten der Nordsee ein mehr als 1000 Kilometer umfassendes Unterwasserseenetz aufbauen. Damit soll die wachsende Zahl der Windparks in der Nordsee an die Stromnetze angeschlossen werden, gleichzeitig könnten Wasserkraftwerke in Skandinavien andere Staaten mit ihrem Strom beliefern.

Neue Technik macht HGÜ möglich

Technisch in größerem Maßstab ermöglicht wurde dies alles in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuer elektronischer Bauelement für HGÜ-Technologien zur Erzeugung hoher Gleichstromspannungen wie Hochleistungs-Thyristoren oder die IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)–Technik, die nun in immer größeren Leistungsstärken industriell zur Verfügung gestellt werden können. So sind heute HGÜ-Analgen mit einer Spannung von 800.000 Volt und einer Übertragungsleistung von 5000 Megawatt über eine Entfernung von 1400­ km möglich.

Beim Vergleich beider Arten des Stromtransports ist noch ein weiterer Aspekt von Interesse. Die Wechselstromübertragung erfolgt über einen Dreiphasendrehstrom, für den deshalb mindestens drei Leitungen erforderlich sind. Gleichstrom benötigt dagegen nur zwei Leitungen und im Fall, dass die Erde als zweiter Pol genutzt wird, sogar nur eine einzige.

Es hat also gut 100 Jahre gedauert, bis Forschung und Entwicklung in der Festkörperphysik, der Elektronik und der Ingenieurstechnik die Voraussetzung dafür geschaffen haben, dass heute die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung für sehr lange Strecken und Seeverbindungen zur großtechnischen Reife gelangt ist und damit neue Möglichkeiten geschaffen wurden, Kraftwerke und Verbraucherzentren, die weit auseinander liegen, miteinander zu verbinden.