Woher kommt der Strom?

»Und siehe da, sie strahlten im hellsten Glanze, ein leuchtendes Sinnbild des Fortschritts, den der menschliche Geist damit zum Licht der Erkenntniß hin gemacht hat.«

 

 

 

So schwärmte damals der Korrespondent der Zeitschrift »Die Gartenlaube«. Damals, das war 1891. Am 25. August jenes Jahres fand nämlich in Frankfurt am Main eine Sensation statt. Auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung wurde als Höhepunkt um 12:00 Uhr mittags der Strom eingeschaltet, über 1000 Glühlampen leuchteten unter dem Beifall Tausender Zuschauer in den Messehallen auf, eine Pumpe setzte einen künstlichen Wasserfall auf dem Ausstellungsgelände in Betrieb. 

 

Der Meilenstein: Der Strom kam von einem Wasserkraftwerk in Lauffen am Neckar über eine 176 km lange Freileitung nach Frankfurt. Die wurde mit 3000 Masten und 60 Tonnen Kupferdraht vorwiegend entlang von Eisenbahnlinien zum Messegelände nach Frankfurt gebaut. Damit wurde erstmals elektrische Energie mit hochgespanntem Drehstrom übertragen. Elektrisches Licht und Glühlampen gab es natürlich schon, doch neu war die Fernübertragung elektrischer Arbeit, bei der Drehstrom von einem Transformator in eine hohe Spannung von 16.000 Volt umgewandelt wurde. Der von einer 300-PS-Turbine angetriebene Generator selbst erzeugte nur eine Spannung von 100 Volt.

Den Ingenieuren gelang es, brauchbare Isolierungen zu entwickeln, dennoch lagen viele stromführenden Teile blank und kosteten schon mal Opfer, wie die Deutsche Bauzeitung vom 4. November 1891 berichtete: »Auch die Lauffen-Frankfurter Arbeits-Uebertragung erforderte kürzlich ein Menschenleben, indem ein Aufseher der Maschinen-Station, welcher mit einem blanken Teil der Uebertragungs-Leitung im Transformatoren-Hause in Berührung gekommen war, vom dem Strom sofort getödtet wurde.«

Die Strömungsenergie des Neckarwassers nutzen

Diese erste Fernübertragung von elektrischem Strom oder besser von Energie – ein Meilenstein: Nichts anderes als die Strömungsenergie des Neckarwassers wurde benutzt, um eine Arbeit weit entfernt zu verrichten. »Handelte es sich doch um den Nachweis der Verwendbarkeit von Stromspannungen, über welche keinerlei Erfahrungen vorlagen, während eben diese Verwendbarkeit von mancher Seite stark in Zweifel gezogen wurde«, urteilten damals Fachleute in der Deutschen Bauzeitung und fuhren fort: »Die Bedeutung dieses Erfolges dürfte jedoch sowohl in der Grösse der Entfernung und der übetragenen Arbeit, als in dem Ausblick bestehen, welchen derselbe hinsichtlich der scheinbar unbegrenzten und unerschöpflichen Hilfsmittel, welche für die Entwicklung der Elektrotechnik im Schoosse der Zukunft schlummern, eröffnet.«

Mit dieser geglückten Übertragung war übrigens auch jener heftige Stromkrieg entschieden, der um 1890 tobte. Die Kontrahenten seinerzeit: Thomas Edison, amerikanischer Ingenieur und Erfinder der Glühlampe. Er war vom Gleichstrom überzeugt. Bei dieser Art von Strom fließen Elektronen in einem elektrischen Leiter immer in die gleiche Richtung. Auf der anderen Seite das „Kampfes“: George Westinghouse, ebenso ein amerikanischer Erfinder und Industrieller. Seine Firma setzte von Anfang an auf Wechselstrom. Dabei wechseln die Elektronen im Stromleiter regelmäßig ihre Richtung, in die sie fließen. In vielen Stromnetzen geschieht das mit einer Frequenz von 50 Hertz. An den Niagarafällen spielte Westinghouse seine technischen Trümpfe aus. Sein Wechselstrom konnte mit einem Transformator leicht in verschieden hohe Spannungen gewandelt werden. In dieser Form lässt er sich gut über längere Strecken transportieren. Mit Gleichstrom ist das nur mit hohen Verlusten möglich. Edison baute zwar das erste öffentliche Kraftwerk der Welt. Doch seine Gleichstromgeneratoren liefern zu wenig Spannung; die Übertragung gelang nur über wenige Kilometer.

Das Wechselstromsystem setzt sich durch

Der Kampf um die wirtschaftliche Vorherrschaft einer Technologie wurde sehr drastisch ausgeführt: Der Wechselstrom töte Menschenleben, Gleichstrom sei dagegen besser, versuchte Edison dem unwissenden Publikum weiszumachen. Doch er kann den Sieg des physikalisch besseren Prinzips »Wechselstrom« nicht mehr verhindern. Westinghouse baut die Generatoren für das Kraftwerk am Niagarafluss. Das Wechselstromsystem setzt sich durch.

Die Grundlagen hatte übrigens der kroatische Elektroingenieur und Erfinder Nikola Tesla geschaffen. Er, der ein bewegtes Leben hinter sich hatte, entwickelte die Idee von rotierenden magnetischen Feldern, dem Vorläufer des Wechselstromes, um elektrische Energie zu übertragen.

Die neue wundersame Energieform bot einen entscheidenden Vorteil: Kraftwerke müssen nicht mehr direkt neben Fabriken stehen oder in Städten stehen, um Energie für Maschinen und Beleuchtung zu liefern. Sie können überall gebaut werden, wo Energiepotentiale für eine Stromerzeugung vorhanden sind, wie beispielsweise an Wasserfällen. Mit den neuen Transportmöglichkeiten kann man die Energie überall verteilen. Damit hat das Zeitalter der Elektrizität begonnen.

Es ist dennoch keine gute Idee, Energie in großen Mengen als elektrische Energie über weite Strecken zu transportieren. Die Verluste, die dabei entstehen, sind erheblich, und der Aufwand für elektrische Leitungen ist sehr teuer. Das wussten die Erbauer und Konstrukteure unseres Stromsystems und bauten die großen Kraftwerke in die Nähe der Zentren, in denen der Strom benötigt wurde.

Vor 132 Jahren begann das Zeitalter der Elektrizität

Vor 132 Jahren begann also das Zeitalter der Elektrizität in Deutschland. Etwa 50 Jahre dauerte es dann, bis auch das letzte Dorf in Deutschland mit Strom versorgt werden konnte. Ergebnis: Eine sichere und vor allem preiswerte Versorgung mit elektrischem Strom – darum beneidete die Welt Deutschland.

Entscheidende Männer waren zum Beispiel Oskar von Miller, der die damals noch junge Elektrotechnik vorantrieb und übrigens eng mit Rudolf Diesel befreundet war. Der machte mit dem Dieselmotor die immense Energie fossiler Brennstoffe auch für mobile Zwecke verfügbar. Maschinenbauingenieure und Unternehmer wie Emil Rathenau, der Gründer der AEG, hatten rasch begriffen, welche entscheidende Rolle eine preiswerte Stromversorgung für ein Industrieland bedeutete.

Damit begann eine beispiellose Entwicklung, die Deutschland eine der besten und zuverlässigsten Stromversorgungen gewährleistet hat. Bis ja, bis das Land mit einer Energiewende überzogen werden soll, die die Stromversorgung unsicher macht, auf wacklige Beine stellt, und vor allem horrend verteuert. Deutschland hat mittlerweile die höchsten Preise für den Strom weltweit, die Versorgung wird zusehends unsicherer.

Was kluge Elektroingenieure in fast 130 Jahren aufgebaut haben, wird nun in wenigen Jahren ruiniert. Heute haben wir Fachleute wie die Vorsitzende der Grünen Annalena Baerbock, für die Kobolde den Strom in den Leitungen speichern oder Robert Habeck und seine Gefolgsleute, die ohne Schaudern Kohle- und Kernkraftwerke vom Netz abschalten. Fremd sind ihnen zum Beispiel Begriffe wie rotierende Massen der Generatoren und Turbinen, die die erheblichen Schwankungen im Netz ausgleichen können.

Entscheidend: Rotierende Massen

Dabei sind diese rotierende Massen der eigentliche Witz unseres Stromsystems. Das ist der eigentliche Trick, warum Wechselstrom nahezu immer und zu jeder Zeit aus der Steckdose kommen kann – zumindest bisher. Und wir müssen an dieser Stelle ein Lob diesen rotierenden Massen aussprechen. Ohne die hätten wir keine funktionierende Stromversorgung. Die Begriffe Momentanreserve oder Trägheitsreserve werden ebenfalls benutzt, sie bezeichnen alle denselben Effekt. 

Den kann man erkennen, wenn man sich Turbine und Generator in einem Kraftwerk ansieht. Die drehen sich im Herzen eines Kraftwerkes, im Turbinenhaus. Beide – Turbine und Generator – sitzen auf einer langen Welle und drehen sich mit 3000 Umdrehungen pro Minute. Das Geheimnis liegt in diesen schnell rotierenden Turbinen, Wellen und Generatoren. Das sind erhebliche Massen. Je nach Größe des Kraftwerkes drehen sich mehrere hundert Tonnen an Masse rasend schnell. Und: Sie speichern Energie, Rotationsenergie oder genauer: kinetische Energie. Eben unsere Momentanreserve.

Denn so praktisch und hilfreich die Energieübertragung mithilfe der Elektrizität auch ist, sie hat einen entscheidenden Nachteil: Der Strom ist nicht lagerfähig wie Weizen, Zement oder Kohle. Er muss in genau dem Augenblick erzeugt werden, in dem er verbraucht wird. Just in time – sozusagen. Und mehr als das: Er muss auch in den Mengen produziert werden, in denen er im Augenblick gebraucht wird. Kein Kilowatt zu viel und ebenso kein Kilowatt zu wenig und genau in derselben Frequenz. 

Gleichtakt in Europa

Alle Generatoren im europäischen Netz takten exakt im Gleichschritt. Von Porto in Portugal bis Kopenhagen in Dänemark schwingt im gesamten europäischen Netz der Strom im Gleichtakt, wechselt genau gleich die Phase von plus nach minus – und umgekehrt. 50 mal in der Sekunde. Genau bedeutet hier eben auch: genau. Alle Kraftwerke arbeiten im präzise im absolut gleichen Takt. Allein dies ist eine bewunderungswürdige Leistung der gigantischen Maschine »Stromerzeugung«.

Dieser Zwang ist zugleich der alles beschränkende Umstand in einem Elektrizitätsnetz. Der stellt die Stromerzeuger vor eine knifflige Aufgabe: Sie müssen wissen, wie viele Kochherde morgens früh um sieben eingeschaltet werden, wie viele Kaffeemaschinen Strom benötigen und wie viele große Stromverbraucher wie Gießereien, Glashütten und Aluminiumschmelzen elektrische Energie benötigen. Wenn eine Kaffeemaschine, der Herd für das Mittagessen, der Backofen mit dem Schweinebraten angeworfen oder ein Schweißgerät angeschaltet werden, muss exakt in dem Augenblick die Energiemenge zur Verfügung stehen, die alle diese Geräte benötigen. Und zwar genau in jeder Sekunde, in der die Geräte angeschaltet werden. Der Strom breitet sich immerhin fast mit Lichtgeschwindigkeit in den Netzen aus. Doch so schnell könnte ein Kraftwerk nicht hinauf- oder heruntergeregelt werden. Ohne unseren raffinierten Trick wäre ein Stromerzeugungssystem nicht möglich. 

Kraftwerke sind Energieumwandler

Kraftwerke selbst sind keine Energieerzeuger, sondern Energieumwandler. Kohle wird bei hohen Temperaturen verbrannt, erzeugt Wärme. Chemische Energie wird also in Wärmeenergie umgewandelt. Die erhitzt Wasser unter hohem Druck und verdampft es. Druckrohre leiten diesen extrem heißen Dampf bei Drücken um die 250 Bar und bei Temperaturen teilweise bis zu 700 Grad auf die Laufschaufeln der Turbine. Im Inneren dieser Turbine toben Gewalten, heisser Dampf – schon fast im Zustand eines Plasmas – schießt auf die Turbinenschaufeln und gibt dabei einen Großteil seiner kinetischen Energie an das Laufrad ab und kühlt selbst dabei ab. Das Turbinenrad wird in Drehungen versetzt, der Dampfdruck sinkt.

In einer Turbine sitzen einmal viele kleine Turbinenräder und andere mit einem sehr großen Durchmesser. Der Dampf schießt zuerst in den Turbinensatz mit den kleinen Rädern, den sogenannten Hochdruckteil. Danach ist er etwas entspannter, er hat bereits einen Teil seiner Energie an die Turbine abgegeben. Einen weiteren Teil seines verbliebenen Energiegehaltes gibt er dann in der sogenannten Mitteldruckturbine ab. Hier sind die Schaufeln schon etwas größer, damit die Energieübertragung möglichst optimal verläuft. Danach ist der Dampf wesentlich kühler geworden, er expandiert dabei, dehnt sich aus und nimmt in einem ganz erheblichen Ausmaß an Volumen zu, bis zum 20.000 fachen des Heißdampfes. Um auch noch die restliche Energie herauszuholen, sind schon deutlich größere Flächen notwendig. Die Schaufelräder im letzten, im Niederdruckteil weisen daher sehr beachtliche Durchmesser. Das ist also der nächste Schritt in unserer Energieumwandlungskette: Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. 

Starr auf der Turbinenwelle sitzt der Generator. Der komplette Block aus Turbine und Generator dreht sich schnell. Durch die sogenannte Induktion wird in den Wicklungen des Generators ein Wechselstrom mit einer Frequenz von genau 50 Herz erzeugt – im Prinzip wie bei einem Fahrraddynamo. Hier wird schliesslich mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und mit Transformatoren hochgespannt. Mit 220 000 Volt wird der Strom in die Netze gedrückt.

Je nach Größe des Kraftwerkes sind diese Wellen unterschiedlich lang, die Generatoren und Turbinen unterschiedlich groß und schwer. Sie haben Massen von 200,300 oder gar 400 Tonnen. Bei 3000 Umdrehungen ergeben sich ordentliche Energien, die dort herumgewirbelt werden. Deutschlandweit kommen da etliche 10.000 an Tonnen an rotierenden Tonnen zusammen. Miteinander gekoppelt sind sie über das Stromnetz.

Schaltet jetzt morgens halb Deutschland Kaffeemaschinen, Herde und Backstuben an, wird schlagartig viel elektrische Energie benötigt. Die wird wiederum der Energie der rotierenden Massen entnommen. Physikalisch gesehen wird hier kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Sofort, unmittelbar, direkt – so schnell wie das mechanisch nicht möglich wäre.

Ohne „Momentanreserve“ kein Netz

Dieses lange und schwere Gebilde aus Turbine, schwerer Welle und Generator wird dadurch etwas langsamer, Signal, mehr Dampf auf die Schaufeln der Turbine zu leiten und damit mehr Energie in das System zu geben. Ein fein austariertes System der riesigen, gigantischen Maschine „Stromerzeugung“ haben schlaue Ingenieure in jahrzehntelanger Arbeit erschaffen. Genau diese „Momentanreserve“ ist der Witz des Stromnetzes, der entscheidende Puffer, mit dem es gelingt, Energie in geringem Umfange zu speichern. Ohne dieses System gäbe es kein Elektrizitätsnetz und keine Stromversorgung.

Das führt uns zwangsläufig zu der Frage, was ist, wenn jetzt alle Kohle und Kernkraftwerke abgeschaltet werden und mit ihnen die rotierenden Massen verschwinden? Fotovoltaikanlagen weisen keine rotierenden Massen auf; bei denen dreht sich nichts. Auch Windräder verfügen  – wenn sie sich denn drehen – nicht über ausreichenden Massen, die für solche Energietransfers infrage kommen könnten. Dies bedeutet: unter dem Strich ist es nicht möglich, ein Stromnetz allein mit Fotovoltaikanlagen und Windrädern aufrecht zu erhalten. Da müssen die Ingenieure schon zu gröberen Mitteln des Irrsinns greifen. So diente sechs Jahr lang der Turbinen- und Generatorsatz des abgeschalteten Kernkraftwerkes Biblis als rotierende Masse. Mit einem angebauten Schiffsdiesel wurde der in drehender Bewegung versetzt und an das Stromnetz angekoppelt, verstärkte die Momentanreserve im Netz. Dieselantrieb also als Krücke, damit das Stromnetz unter der Energiewende nicht gleich zusammenbricht.

Für Siemens ergibt sich ein neuer Geschäftszweig: Die fertigen mit schweren Generatoren „rotierende Massen“, die keinen Strom erzeugen, sondern an geeigneten Stellen in das Stromnetz eingebaut werden und die wichtige „Momentanreserve“ zur Verfügung stellen sollen. Eine Aufgabe, die normalerweise die Kraftwerke kostenlos mitgeliefert haben. Größer kann Tollheit kaum sein. Die Kraftwerke, die die momentane Reserve kostenlos mit ihrer Arbeit zur Verfügung stellten, werden abgerissen und dafür Windräder und Photovoltaikanlagen aufgebaut, die nicht über hinreichend große rotierende Massen verfügen.

Absurdes Experiment

Medien jubeln, dass Windräder und Sonnenzellen längst deutlich mehr Strom liefern, als Deutschland benötige. Doch sie vergessen dazu zu sagen, zu welchen Zeiten. Meist dann nicht, wenn er benötigt wird. Oft muss er verschenkt werden, wenn von Windrädern zu viel kommt und niemand ihn benötigt. Denn Strom muss dann produziert werden, wenn jemand auch etwas damit anfangen kann. Sonst ist er wertlos. 

Markt verkehrt herum: Wie in früheren Jahrhunderten beim Müller, der nur mahlen konnte, wenn der Wind wehte, aber nicht, wenn das Mahlen des Getreides anstand.  

Noch nie gab es ein Land, das aus freien Stücken seine hervorragend funktionierenden Kraftwerke einfach abschaltet, teilweise in die Luft sprengt und nicht weiß, woher morgen der Strom kommen soll. Ein absurdes Experiment gegen die Gesetze der Physik.