Stromnetz

Egal ob Kohle, Gas, Kernkraft oder Wasser — im Kraftwerk dreht sich eine Turbine. Und eine drehende Turbine dreht einen Generator. Das ist im Kern alles.

Im Generator rotiert ein starkes Magnetfeld in einer Spule. Dieses wechselnde Magnetfeld erzeugt Wechselspannung — das Faraday'sche Induktionsprinzip. Die Turbine liefert die mechanische Leistung $P = F \cdot v$, der Generator wandelt sie in elektrische Leistung $P = U \cdot I$ um. Die Einheit ist dieselbe: Watt.

Die Spannung direkt am Generator liegt typischerweise bei 10–20 kV. Das ist schon viel — aber für den Transport viel zu wenig.

Direkt hinter dem Kraftwerk steht der erste Transformator. Er macht etwas scheinbar Verrücktes: Er schraubt die Spannung von 20 kV auf 380 kV hoch — Faktor 19. Was passiert mit dem Strom? Er sinkt um denselben Faktor. Die Leistung $P = U \cdot I$ bleibt gleich.

Warum dieser Aufwand? Wegen der Verluste. Jede Leitung hat Widerstand, und Verlustleistung ist $P_{\text{Verlust}} = I^2 \cdot R$. Strom geht im Quadrat ein. Bei 19-fach höherer Spannung ist der Strom 19-fach kleiner — die Verluste also $19^2 = 361$-fach kleiner. Nicht 19-mal weniger. Dreihunderteinundsechzigmal weniger.

Die Hochspannungsmasten, die man aus dem Zugfenster sieht — das ist das Übertragungsnetz. Es verbindet Kraftwerke, Windparks und Regionen miteinander. In Deutschland betreiben vier Übertragungsnetzbetreiber (50Hertz, Amprion, TenneT, TransnetBW) etwa 35.000 km Leitungen.

Warum 380 kV und nicht 500 oder 700? Es ist ein Kompromiss: Höhere Spannung spart Verluste, aber stellt höhere Anforderungen an Isolation, Abstände und Sicherheit. In Europa hat sich 380 kV als Standard für das Höchstspannungsnetz etabliert.

Ein wichtiger Effekt: Das Netz ist ein zusammenhängendes System. Wenn ein Kraftwerk ausfällt oder eine Windregion wenig liefert, gleicht das Netz das automatisch aus — Strom fließt aus anderen Regionen nach. Das hält die Frequenz stabil bei 50 Hz.

Ein Umspannwerk ist der Knotenpunkt, an dem mehrere Leitungen zusammenlaufen, die Spannung stufenweise reduziert wird und der Strom auf regionale Netze verteilt wird. Hier stehen neben Transformatoren auch Leistungsschalter, Trennschalter und Schutztechnik.

Die Spannung wird nicht in einem Schritt von 380 kV auf 230 V reduziert. Das passiert stufenweise: 380 kV → 110 kV (Hochspannung) → 20 kV (Mittelspannung) → 400/230 V (Niederspannung). Jede Ebene hat ihre eigene Infrastruktur und Zuständigkeit.

Der unscheinbare Metallkasten an der Straßenecke oder im Keller eines Wohnhauses ist der letzte Transformator in der Kette. Er wandelt 20.000 V auf 400 V / 230 V um — den letzten Faktor von ~87.

Der Ausgang hat drei Phasen plus Neutralleiter. Zwischen zwei Phasen liegen 400 V — das benutzen große Elektrogeräte wie Durchlauferhitzer oder Drehstrommotoren in der Industrie. Zwischen einer Phase und dem Neutralleiter liegen 230 V — das ist die Haushaltssteckdose.

Ein Ortsnetz-Transformator versorgt typischerweise 100–400 Haushalte. Wenn viele gleichzeitig Elektroautos laden oder Wärmepumpen laufen, kann das die Kapazität überlasten — das ist aktuell eine der zentralen Herausforderungen beim Ausbau der Energiewende.

230 V, 50 Hz. Aber was bedeuten diese Zahlen genau?

230 V ist der Effektivwert (RMS). Die Spannung ist Wechselstrom — sie schwingt 50-mal pro Sekunde sinusförmig zwischen +325 V und −325 V. Der Spitzenwert ist $\hat{U} = 230 \cdot \sqrt{2} \approx 325\,\text{V}$. Der Effektivwert von 230 V ist die "äquivalente Gleichspannung" — eine 230 V Gleichspannungsquelle würde denselben Heizeffekt erzeugen.

50 Hz ist die Netzfrequenz. Sie entstand historisch, weil frühe Generatoren gut bei 3000 U/min betrieben wurden und 50 Hz sich daraus ergab (mit 2 Polpaaren). Die USA wählten 60 Hz — deshalb laufen Geräte aus Übersee manchmal nicht korrekt in Europa.