Vom Kraftwerk zum Verbraucher
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Schulfernsehen Schulfernsehen Vom Kraftwerk zum Verbraucher Ein Film von Wolfgang Voelker & Anita Bach Beitrag: Anita Bach & Josef Moosmüller Inhalt Der Strom, der zu Hause aus der Steckdose kommt, muss auf seinem Weg vom Kraftwerk zum Verbraucher verschiedene Leitungen und Umspannstationen passieren. Im Film wird dieser Weg immer wieder mit einer Autoreise verglichen. Die Autobahnen entsprechen dabei den Hochspannungsleitungen, die Bundesstraßen dem Mittelspannungsnetz und die Ortsstraßen dem Ortsnetz. Am Beginn des Films stehen einige nächtliche Szenen auf dem Münchner Oktoberfest die verschiedene Wirkungen des elektrischen Stroms an seinem Verbrauchsort zeigen. Am Beispiel des Wasserkraftwerkes Töging am Inn wird auf das Prinzip der Stromgewinnung aus Wasserkraft eingegangen. Der Ferntransport des Stroms geschieht bei Hochspannung, d. h. bei 380 kV oder 220 kV über entsprechende Hochspannungsleitungen. In verschiedenen Umspannwerken wird die Spannung von geeigneten Transformatoren erst auf 110 kV, dann auf 20 kV oder 10 kV und schließlich auf 400 V bzw. 230 V transformiert. Ein Filmtrick veranschaulicht das Leitungsnetz Bayerns. © Bayerischer Rundfunk In einem Haus auf dem Land wird die Systematik des Hausanschlusses verdeutlicht: Dachständer, Hausanschlusskasten mit Elefantensicherungen, Verteilerkasten mit Zähler und Sicherungen, Steckdosen, Lichtanschlüsse, Drehstromanschluss (Herd). Der Film endet mit einer elektrischen Eisenbahn: Im Spiel verfolgen Kinder noch einmal den Weg des Stromes. Fakten 1. Stromversorgung und Verteilung der elektrischen Energie Stromversorgung ist der Sammelbegriff für alle Einrichtungen und Vorgänge, die der Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dienen. Die von den verschiedenen Abnehmergruppen (Industrie, Handel, Gewerbe, Haushalt u. a.) benötigte elektrische Energie wird in Kraftwerken erzeugt und über Hoch- und Niederspannungsnetze den Verbrauchern zugeführt (mittels Freileitungen oder Kabel). Im Allgemeinen reichen die in den Generatoren der Kraftwerke technisch möglichen Maschinenspannungen (maximal rd. 20 kV) nur für nahe, meist industrielle Abnehmer aus. 1 Schulfernsehen In der Regel erfolgt die Verteilung elektrischer Energie (meist als Drehstrom) von den Kraftwerken zu den verschiedenen Abnehmergruppen über mehrere Spannungsebenen. Je nach Größe der zu transportierenden Leistung, nach der Transportentfernung und der Aufgabe der Übertragungsleitung kommen für den Leistungstransport Spannungen verschiedener Höhe in Frage: Im Rahmen des Verbundbetriebes genügten hierfür vor dem Zweiten Weltkrieg in der Regel Spannungen von 110 kV; mit dem stark wachsenden Energiebedarf nach dem Kriege entstan- den ausgedehnte Netze von 220 kV und später von 380 kV für die Energieübertragung. Dabei stiegen die übertragbaren elektrischen Leistungen stärker als die Spannungen, weil erstere mit dem Quadrat der Übertragungsspannung zunehmen. Im Wesentlichen werden Freileitungen eingesetzt; wegen der sehr hohen Kosten für Kabel solch hoher Spannungen beträgt deren Anteil weniger als 5%. Für die Versorgungsleitungen in unmittelbarer Nähe großer Städte oder direkt in den Städten werden heute zunehmend Zubringerleitungen mit hohen Spannungen erforderlich; so beträgt die übergeordnete Spannungsebene in vielen Großstädten schon 110 kV. 2. Anpassung der Energieerzeugung und -verteilung an den Verbrauch Die Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie über Schaltanlagen und Transformatoren kann in wirtschaftlicher Weise nur erfolgen, wenn Einrichtungen zum Messen und Regeln der Leistung, zur Betriebsrationalisierung und Betriebssicherung vorhanden sind. Hierzu gehören vor allem Mess- und Regelgeräte, Fernwirkanlagen, Schutzvorrichtungen gegen Kurzschluss, Erdschluss und Überspannungen. Erhebliche Bedeutung kommt hierbei auch dem Problem der Anpassung der erzeugten Leistung an den von den Verbrauchern bestimmten Energiebedarf zu. © Bayerischer Rundfunk Schulfernsehen Mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor lässt sich bei verzweigten Versorgungsanlagen das Verhältnis der dem Kraftwerk gleichzeitig entnommenen Leistung zur Summe der bei den Abnehmern installierten Höchstleistung berechnen. Der Verbrauch elektrischer Energie während eines bestimmten Zeitraumes folgt einem typischen Rhythmus: Zeiten hohen gleichzeitigen Verbrauchs wechseln mit solchen schwachen Verbrauchs. Diesem Rhythmus müssen sich die Kraftwerke anpassen. Nur Laufwasser- und Braunkohlekraftwerke sowie Kernkraftwerke fahren gleichbleibende Grundlast; Speicherkraftwerke z. B. laufen nur in Spitzenlastzeiten. Hierbei kommt dem Verbundbetrieb besondere Bedeutung zu; bei diesem werden die Kraftwerke mehrerer Versorgungsbereiche über Leitungen miteinander verbunden, so dass im Falle von Schwierigkeiten in der Energieversorgung (z. B. in Zeiten der Spitzenlast) oder bei teilweisem Ausfall von Maschinen in einem der Kraftwerke die anderen Kraftwerke vorübergehend die Versorgung mit übernehmen können. Außerdem braucht nicht jedes Kraftwerk mit einer vollen Leistungsreserve wie beim Inselbetrieb versehen zu werden. Die Überwachung des Betriebsablaufs bei der Stromversorgung, der zweckmäßige und wirt- schaftliche Einsatz der Kraftwerke entsprechend dem Bedarf der angeschlossenen Verbraucher, das Eingreifen bei plötzlich auftretenden Lastverschiebungen oder Netzzusammenbrüchen geschieht in zentralen Netzwarten (Lastverteilerwarten) durch den sog. Lastenverteiler (in der Regel ein Ingenieur). 3. Gefahren beim Berühren spannungsführender Teile Alle betriebsmäßig unter Spannung stehenden Teile elektrischer Anlagen und Betriebsmittel 2 Schulfernsehen Schulfernsehen werden grundsätzlich so isoliert oder abgedeckt, dass sie nicht berührt werden können. Tritt ein Isolationsfehler auf, können leitfähige Teile (z. B. das Gehäuse eines Motors, einer Metalltischlampe) ebenfalls Spannung gegen Erde annehmen, die bei Berührung durch einen Menschen einen lebensgefährlichen Strom zur Folge haben kann. Man nennt diese Spannung (U B) Berührungsspannung (siehe folgende Abbildung), die auf Bezugserde bezogene Spannung (U F) die Fehlerspannung. Die Stärke des vom menschlichen Körper abgeleiteten Stromes ist vom Körperwiderstand des Menschen abhängig. Dieser ist individuell sehr unterschiedlich groß (trockene Hände, feuchte Hände, Beschaffenheit des Schuhwerkes, des Bodens u. a. können Einfluss haben). Rechnet man mit einem mittleren Wert von etwa 3.300 Ohm, dann beträgt nach dem Ohmschen Gesetz die Stromstärke im menschlichen Körper rund 20 mA. Dieser Wert kann gerade noch als zulässig angesehen werden. Bei 50 mA kann Lebensgefahr bestehen; 100 mA führen in der Regel zum Tod (Herzkammerflimmern). 4. Maßnahmen ohne Schutzleiter und ohne Abschaltung im Fehlerfall Schutzisolierung: Alle der Berührung zugänglichen, nicht zum Betriebsstromkreis gehörenden Metallteile, die ihm Fehlerfalle Spannung gegen Erde annehmen können, werden durch eine zusätzliche äußere Isolierung abgedeckt, so dass sie keine Spannung annehmen können. Schutzisolierte Betriebsmittel tragen nach VDE folgendes Kennzeichen. (Grafik) Die Schutzisolierung findet Anwendung bei Haushaltgeräten, Schaltergriffen, Schaltern, Steckdosen; sie ist zwar die beste Schutzmaßnahme, aber auch teuer (deshalb ist sie für große Geräte oder Anlagen wirtschaftlich nicht vertretbar). 5. Maßnahmen mit Schutzleiter und Abschaltung im Fehlerfall Nullung: Diese Maßnahme wird am meisten angewendet; sie erfordert einen unmittelbar geerdeten Sternpunkt des Transformators sowie einen Nulleiter (Mittelpunkts- oder Mp-Leiter). Gegen Berührungsspannung zu schützende, leitfähige Metallteile werden über einen Schutzleiter an den Nulleiter angeschlossen. Jeder Körperschluss wird dann ein Kurzschluss, d. h. die Widerstände im Fehlerstromkreis bleiben klein, weil der Fehlerstrom nicht mehr über Erde zurückfließt, sondern über Leitungen, deren Widerstände klein sind (wenn sie richtig bemessen werden). Der erforderliche Wert des Abschaltstromes für die Sicherungen wird dann immer erreicht. Fehlerstromschutz (FI-Schaltung): Die Zuleitungen zum zu schützenden Betriebsmittel werden über einen Summenstromwandler mit vier Primärwicklungen mit den Phasen R, S, T und Mp geführt. Sekundärseitig ist eine Wicklung vorhanden. Im ungestörten Betrieb fließt in der Sekundärwicklung des Wandlers kein Strom. Im Falle einer Störung, z. B. eines Körperschlusses, fließt in der Sekundärwicklung ein Strom, der das Betriebsmittel abschaltet (innerhalb von 0,1 bis 0,25 s), wenn der Grenzfehlerstrom I GF (auf dem Schalter angegeben) überschritten wird. Anwendungen der FI-Schaltung: in der Landwirtschaft, auf Baustellen, feuergefährdeten Betriebsstätten, neuerdings auch in der Hausinstallation. Besonders empfindliche und schnelle FISchalter werden für die Installation von Bädern (niedriger Widerstand der feuchten Haut!) empfohlen. Nachteil des FI-Schalters: aufwendig, teuer. 6. Transformatoren Der Transformator ist in der Energietechnik eine Vorrichtung mit der Aufgabe, elektrische Energie Kleinspannungen: Beträgt die Nennspannung zwischen beliebigen Leitern nicht mehr als 42 V, dann ist die Gefahr einer gefährlichen Berührungsspannung nicht gegeben. Die Kleinspannungen unter 42 V werden mit Transformatoren, Gleichrichtern oder Umformern, Akkumulatoren und galvanischen Elementen erzeugt. Kleinspannungen sind vorgeschrieben für Fassausleuchten, Backofenleuchten, Spielzeug (bis 24 V), für Handleuchten in Kesseln, Behältern, Rohrleitungen u. a. Bei größeren Leistungen und Leitungslängen kann die Kleinspannung aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr angewendet werden. © Bayerischer Rundfunk 3 Schulfernsehen umzuformen, damit sie z. B. wirtschaftlich vom Erzeuger (Kraftwerk) zu den Verbrauchern gebracht werden kann. Da Erzeuger und Verbraucher in diesem Fall meist weit voneinander entfernt sind, wird in den Kraftwerks-Transformatoren die relativ kleine Generatorspannung (max. ca. 25 kV) auf hohe Spannung transformiert (60, 110, 220 oder 380 kV, im Ausland noch höher), um große elektrische Leistungen mit kleinen Strömen, d. h. mit kleinen Verlusten übertragen zu können. Allerdings setzen Sprühverluste zwischen den luftisolierten Leitern der Übertragungsspannung bei etwa 700 kV eine Grenze. In Verbrauchernähe setzen die Verteilungstransformatoren die Spannung auf Verbraucherspannung herab (z. B. 230 oder 400 V) oder auf einen Wert, der für die Weiterleitung der elektrischen Energie über kleinere Entfernungen günstiger ist (z. B. 6, 10, 20 oder 30 kV). Die Wirkungsweise des Transformators beruht auf dem Faradayschen Induktionsgesetz: In einer Spule mit N Windungen, in der ein magnetischer Fluss vorhanden ist, entsteht eine Induktionsspannung, wenn sich der Spulenfluss mit der Zeit ändert: Die Größe der induzierten Spannung ist der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses proportional. Die Änderung des magnetischen Flusses kann auf zwei Arten erfolgen: entweder dadurch, dass bei konstantem magnetischen Fluss die Lage der Spule zum Fluss geändert wird (das geschieht im Generator), oder dadurch, dass bei ruhender Spule mit Hilfe eines Wechselstromes ein zeitlich veränderlicher Fluss in dieser erzeugt wird. Diese Art der Flussänderung wird beim Transformator angewendet (siehe Abbildung): Auf einem Eisenkörper, der aus magnetisierbaren und einseitig isolierten Blechen zusammengesetzt ist (um Wirbelstromverluste möglichst zu vermeiden), befinden sich zwei Spulen, Primärspule und Sekundärspule. Wird die Primärspule an eine Wechselspannung U 1 angeschlossen, dann wird im Eisen ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser Fluss, der zeitlich veränderlich ist, induziert in der Sekundärspule eine Spannung U 2, de- Schulfernsehen ren Frequenz f gleich der von U 1 ist. Es gilt: N1 /N2 = U1 /U2 . Ist z.B. U1 = 20.000 V, U2 = 400 V, dann ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators ü = 20.000:400 = 50:1. Die Windungszahl N 1 muss dann 50mal größer als N 2 sein. Während sich beim Transformator die Spannung von Primär- und Sekundärseite wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich die Ströme beider Seiten umgekehrt wie die Windungszahlen zueinander. Der Transformator ist also sowohl Stromwandler als auch Spannungswandler. Die abgegebene Leistung plus Verlustleistung ist gleich der aufgenommenen Leistung. Leistung und Frequenz bleiben also gleich, Spannung und Strom ändern sich. Verluste und Wirkungsgrad: Die Verluste des Transformators werden im Leerlauf- und Kurzschlussversuch ermittelt. Da bei Leerlauf nur der Primärstrom I 0 fließt und dieser Strom klein ist, sind die Verluste infolge des Ohmschen Widerstandes in den Wicklungen (Kupferverluste) klein. Die Leistungsaufnahme im Leerlauf entspricht daher praktisch den Eisenverlusten (Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste). Die Kupferverluste dagegen erhält man durch den Kurzschlussversuch. Sowohl die Eisen- als auch die Kupferverluste sind bei großen Transformatoren klein: Deshalb erreicht der Transformator im Nennbetrieb Wirkungsgrade bis über 98 Prozent. Kleintransformatoren beispielsweise für Spielzeug, Geräte der Unterhaltungselektronik etc. dagegen werden meist mit gerade noch vertretbar kleinen Eisenquerschnitten (die Folge sind große Blindströme, d. h. Leerlaufverluste in der Primärwicklung) und kleinen Kupferdrahtquerschnitten (Leerlaufverluste, noch größere Verluste bei Belastung) gebaut. Daher verbrauchen Geräte der Unterhaltungselektronik und PC-Peripherie (z. B. Drucker, Scanner, Faxgeräte) im so genannten Stand-By-Betrieb (Primärwicklung bleibt ohne Zwischenschalter an die Netzspannung angeschlossen) relativ viel unnütze Leistung. Man schätzt, dass ca. 4 Prozent des deutschen Verbrauchs an elektrischer Energie auf Geräte im Stand-By-Betrieb zurückzuführen sind. Didaktische Hinweise Die Sendung ist für den Heimat- und Sachkundeunterricht ab der 4. Jahrgangsstufe bestimmt. Der Lehrplan für die 4. Jahrgangsstufe der Grundschule nennt folgende Lerninhalte: Themenbereich 7 Kind und Natur; Themenbereich 7.5: Einblick in die Stromversorgung - wie der elektrische Strom zum Verbraucher gelangt. (Klären der Frage, woher der elektrische Strom kommt). © Bayerischer Rundfunk 4 Schulfernsehen Schulfernsehen Lernziele Die Schüler/innen sollen • einen Überblick über typische Verbraucher elektrischer Energie, • Einblick in die Verteilung der elektrischen Energie, • Einblick in die Spannungswandlung durch Transformatoren, • einen Überblick über das Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz, den Zähler und die Hausverteilung erhalten. Anregungen zur Unterrichtsgestaltung Die Sendung ist für die 4. Klassen der Grundschulen bestimmt. Sie befaßt sich mit dem Lernziel 7.5: Einblick in die Stromversorgung - wie der elektrische Strom zum Verbraucher gelangt. Ein Umspannwerk, mindestens ein Trafohäuschen, ein Verteilerkasten, ein Sicherungskasten usw. sollten sich in der näheren Umgebung finden lassen. Drähte von Hochspannungsleitungen, beeindruckend durch ihre Dicke, Isolatoren aus Keramik lassen sich vom zuständigen Energieversorgungsunternehmen bestimmt besorgen. Man könnte die Schüler auch einmal an die Stromversorgungsunternehmen schreiben lassen und um Anschauungsmaterial bitten. Das Arbeitsblatt 1 ist als Zusammenfassung der Sendung konzipiert. Arbeitsblatt 2, 3 und 4 dienen zur Vertiefung des Themas, sie können natürlich auch zur Differenzierung verwendet werden. Arbeits- und Beobachtungsaufträge • Überlege, welche Geräte nicht mehr funktionieren, wenn der Strom ausfällt! • Der Strom wird im Kraftwerk erzeugt. Bis er ins Haus kommt, hat er einen weiten Weg hinter sich. • Folgende Begriffe werden in der Sendung geklärt: Kraftwerk, Umspannwerk, Trafohäuschen, Verbraucher, Hochspannungsleitungen, Mittelspannungsleitungen, Ortsnetz. Bringe sie in die richtige Reihenfolge und trage sie in das Arbeitsblatt ein! • Was geschieht in einem Umspannwerk? • Die verschiedenen Stromleitungen kannst du an ihren Masten unterscheiden. Auf dem Arbeitsblatt siehst du diese Masten. Benenne sie! • Die einzelnen Leitungen werden mit dem Straßennetz verglichen. Schreibe die richtigen Straßenbezeichnungen dazu! • Warum müssen Freileitungen nicht isoliert werden? • Welche Gefahren ergeben sich deshalb beim Drachensteigen? • Suche in der Schule den Hausanschlusskasten und den Zählerschrank mit den Sicherungen. Lasse dir die Funktionsweise erklären! • Die Änderung der Spannung geschieht mit Transformatoren. Stellt in der Klasse eine Liste zusammen, wo überall Trafos nötig sind! • Beim Umgang mit Strom musst du sehr vorsichtig sein. Stelle Verhaltensregeln auf und schreibe sie nieder! Arbeitsblätter Arbeitsblatt 1: Vom Kraftwerk zum Verbraucher Arbeitsblatt 2: Das Umspannwerk Arbeitsblatt 3: Verschiedene Strommasten, verschiedene Leitungen Arbeitsblatt 4: Vorsicht beim Umgang mit Strom! Grafiken Grafik 1: Isolationsfehler Grafik 2: Körperschluss Grafik 3: Transformator © Bayerischer Rundfunk 5 Schulfernsehen Schulfernsehen Links Die virtuellen Kraftwerke http://www.gfa-strom.de Wasserkraftwerk http://www.energieinfo.de/eglossar/node193.html Heizkraftwerk http://www.energieinfo.de/eglossar/node72.html Braunkohlebergbau in der Lausitz http://www.vattenfall.de/www/vf/vf_de/225583xberx/225613dasxu/225933bergb/226503kerng/225963tageb/index.jsp © Bayerischer Rundfunk 6
