Vom Kraftwerk zum Verbraucher

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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.
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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.
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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
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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.
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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-
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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).
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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
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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
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