Wo kein Strom, da kein Ohm

Das menschliche Auge mag es zwar nicht sehen können, wenn Elektronen und andere Ladungsträger in Leitern transportiert werden. Dennoch ist kontrollierbarer elektrischer Strom fraglos nicht nur eine der wichtigsten Errungenschaften der Menschheit, sondern der bedeutendste Sekundärenergieträger. Grund genug, um das Schulwissen etwas aufzufrischen – und zu erweitern.

Strom – die Basisfakten und Einheiten

Er begleitet uns, wenn wir vor dem Zubettgehen das Handy ans Ladegerät hängen. Er sorgt dafür, dass alles im Kühlschrank kalt und im Backofen heiß wird. Ebenso kann er fürchterliche Verheerungen anrichten – sowohl, wenn er als Blitz einschlägt, als auch dann, wenn er im ungünstigsten Moment ausfällt.

Seitdem in den späten 1800er Jahren die weltweite Elektrifizierung Fahrt aufnahm, wurde die Welt in zahllosen Punkten „elektrisiert“. Dabei hängt alles an nur wenigen physikalischen Grundprinzipien. Zudem ist das alles leichter vorstellen, wenn man sich das ganze Thema wie eine Wasserleitung visualisiert. Beide Enden der Leitung liegen in einem großen Eimer voller Wasser, das eine Ende ist mit einer Pumpe verbunden.

(Hinweis: Aus Gründen der Verständlichkeit haben wir im Folgenden auf diverse Vereinfachungen zurückgegriffen.)

• Elektrischer Strom bzw. nur Strom:
  Er entsteht automatisch, wenn sich Elektronen in den Leitern eines geschlossenen Stromkreises bewegen. Zu dieser Bewegung kommt es beispielsweise, weil in einem technischen System ein Magnet in einer Drahtspule rotiert.
  Wasser-Beispiel: Der Leiter ist ein Wasserrohr, das sich bewegende Wasser der Strom.
• Stromstärke (Ampere, A):
  Sie bezeichnet die Menge an elektrischer Ladung, die sich im Zeitraum von einer Sekunde durch einen Leiter bewegt.
  Wasser-Beispiel: Die Stromstärke ist die sich in Bewegung befindliche Flüssigkeitsmenge.
• Spannung (Volt, V):
  Die Spannung ist letzten Endes der „Druck“, der die Elektronen durch den Leiter bewegt. Damit hängt zusammen, wie rasch sich die Elektronen bewegen.
  Wasser-Beispiel: Die Spannung ist der Druck, mit dem die Flüssigkeit sich durch das Rohr bewegt.
• Widerstand (Ohm, Ω):
  Der Widerstand besagt, wie elektrisch leitfähig ein Leiter ist. Daraus lässt sich ermitteln, welche Spannung benötigt wird, um eine bestimmte Stromstärke fließen zu lassen.
  Wasser-Beispiel: Der Durchmesser des Wasserrohres bzw. die davon abgeleitete Drehzahl der Wasserpumpe, um eine Flüssigkeitsmenge X fließen zu lassen.
• Leistung (Watt, W):
  Sie ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke, also die Menge an elektrischer Energie in einem bestimmten Zeitraum.
  Wasser-Beispiel: Die Leistung entspricht der sich durch Wasserdruck und -menge ergebende Kraft des aus der Leitung schießenden Wassers.

Ebenso wie bei dem Wassermodell muss beim elektrischen Strom die erzeugte „Menge“ exakt derjenigen entsprechen, die verbraucht wird. Wird weniger verbraucht als erzeugt wird, dann erhöht sich der „Druck“ im System und es kann zu Schäden kommen. Wird dagegen mehr verbraucht, kommt zu wenig beim Abnehmer an.

Dieses Gesetz von „Erzeugter Strom gleich verbrauchter Strom“ ist ein wichtiger Grund, warum die hochkomplexen Netze in Deutschland und anderen Länden so feinfühlig reguliert werden müssen. Denn der Verbrauch ändert sich ständig, wodurch die Erzeugung bzw. Einspeisung stets angepasst werden muss.

Gleichstrom und Wechselstrom

Als die Elektrifizierung der Welt begann, mussten viele Standards erst noch gefunden werden. Unter anderem führte das in den USA zum sogenannten Stromkrieg zwischen Thomas Edison und George Westinghouse. Ersterer war ein Anhänger der Gleichspannung, letzterer bevorzugte die Wechselspannung.

Selbst diejenigen, die beide Begriffe noch nicht kennen, kennen wahrscheinlich ihre beiden technischen Kürzel. Denn eine der berühmtesten Rockbands der Geschichte heißt so: AC/DC – Alternating Current (Wechselstrom) / Direct Current (Gleichstrom).

Die Unterschiede zwischen beiden sind zwar marginal, aber sehr bedeutend:

• Gleichstrom: Die Elektronen fließen im Leiter konstant in eine Richtung. Es gibt dadurch stets je einen unveränderlichen Plus- und Minus-Pol sowie entsprechende Plus- und Minus-Leitungen im Stromkreis. Somit können große Strommengen mit geringeren Verlusten über weite Strecken transportiert werden. Außerdem lässt sich Gleichstrom sehr viel einfacher in Akkumulatoren speichern. Nachteilig ist, dass der Aufwand, um hohe Gleichspannungen erzeugen, sehr groß ist – und entsprechend teuer.
• Wechselstrom: Die Elektronen ändern mit einer bestimmten Frequenz (gemessen in Hertz, Hz) ihre Flussrichtung. Dadurch gibt es keinen dauerhaften Minus- oder Plus-Pol. Vor allem in Generatoren lässt sich Wechselstrom deutlich leichter erzeugen und transformieren als Gleichstrom. Dafür allerdings ist die Verlustleistung beim Transport über weite Distanzen deutlich größer. Alles, was in einen Netzverbund eingespeist wird, muss zudem nicht nur die grundsätzlich gleiche Frequenz haben, sondern auch mit der bestehenden Frequenz absolut synchron laufen.

Weltweit sind praktisch sämtliche Gebäude inklusive der dortigen Stromanschlüsse an ein Wechselstromnetz angeschlossen. Bei uns in Deutschland werden Hausanschlüsse üblicherweise mit 400 Volt, 50 Hertz Wechselstrom versorgt. Durch den Aufbau der Leiter mit drei sogenannten Phasen liegt deshalb an herkömmlichen Haushaltssteckdosen 230 Volt, 50 Hertz Wechselstrom an.

Gleichstrom ist hingegen das, was in praktisch sämtlichen Batterien und Akkus vorherrscht, dazu im Bordnetz von Autos und in zahlreichen Elektrogeräten zwischen Handy-Netzteil und LED-Fernseher. Hier spielen bei uns durch verschiedene Standardisierungen vor allem 1,2 bzw. 1,5 V (viele Haushaltsbatterien), 5 V (USB-Anschlüsse) sowie 12 V (PKW) respektive 24 V (LKW) die größte Rolle – wenngleich es noch andere Standards gibt.

Stromerzeugung: Von chemisch bis nachhaltig

In der Theorie klingt es einfach: Strom entsteht prinzipiell immer dann, wenn es zwischen zwei leitfähig verbundenen Punkten ein irgendwie geartetes Ladungsgefälle gibt.

Damit es jedoch auf der einen Seite „mehr Ladung“ gibt, müssen teils beträchtliche technische Anstrengungen unternommen werden. Hierbei können unterschiedlichste Prinzipien genutzt werden. Die am häufigsten genutzten sind die folgenden.

Batterie – Elektrochemisch

Nicht aufladbare Batterien (Primärzellen) und wiederaufladbare Akkus (Sekundärzellen) basieren prinzipiell alle auf einer sogenannten Galvanischen Zelle. Diese kann man sich vereinfacht als zwei Kammern vorstellen. In jeder davon findet sich eine Elektrode. Eine besteht aus einem edleren Material, die andere aus einem weniger edlen Material:

• Edles Material gibt Elektronen nur schlecht oder gar nicht ab.
• Unedles Material gibt Elektronen leicht ab.

Beide Elektroden befinden sich in einer galvanischen Lösung. Werden nun beide Elektroden durch das Schließen eines Stromkreises verbunden, findet ein Fluss von Ionen von einer zur anderen Elektrode statt. Dadurch entsteht eine Bewegung, durch die wiederum Elektroden vom Minus- zum Pluspol der Batterie fließen. Ermöglicht wird das durch eine sogenannte Salzbrücke, auch Ionenbrücke genannt.

Wird beim Akku eine Spannung von außen angelegt, dann kann diese Bewegungsrichtung – stark vereinfacht gesprochen – umgekehrt werden. Hierdurch wird der Akku wieder aufgeladen.

Generator – Magnetismus und Mechanik

Der Generator ist der weltweit mit Abstand bedeutendste Stromerzeuger überhaupt. Jedes Kraftwerk, das durch Wärme Dampf erzeugt, arbeitet nach diesem Prinzip, ebenso jedes Wasserkraftwerk und nicht zuletzt sämtliche Windturbinen. Denn was alle diese Kraftwerksarten verbindet, ist, dass hierbei nichts weiter als eine konstante Drehbewegung hervorgerufen wird – sei es durch Wind oder Dampf- bzw. Wasserdruck, die Turbinenschaufeln in Rotation versetzen.

Experten unter den Lesern mögen diese Simplifizierung verzeihen, aber dadurch arbeitet selbst ein Atomkraftwerk in Bezug auf die Stromerzeugung nach dem gleichen Prinzip wie ein Fahrrad-Dynamo.

Zur Erläuterung: Wenn ein elektrischer Leiter sich in einem Magnetfeld bewegt oder sich ein Magnetfeld um einen Leiter herum bewegt, dann wird stets ein elektrischer Strom induziert, weil es in dem Magnetfeld ebenfalls einen Plus- und Minus-Pol gibt – die sogenannte elektromagnetische Induktion.

Erklärt sei das an einem relativ einfachen Generator:

• Ein simpler Stabmagnet wird, ähnlich wie ein Propeller, an einer Achse befestigt – der sogenannte Rotor oder Läufer.
• Dieser Rotor befindet sich in einer aus Drahtwicklung gebildeten Spule – Stator oder Ständer.
• An festen Punkten an der Innenseite befinden sich sogenannte Schleifkontakte. Werden sie vom Rotor berührt, entsteht eine elektrische Verbindung.
• Wird der Rotor nun gedreht, ob durch Wind oder irgendeine andere Kraft, dann induziert sich zwischen den Magnetpolen und der Stator-Spule eine Spannung.

Je nachdem, wie Rotor und Stator aufgebaut sind, ist das Ergebnis eine Gleich- oder eine Wechselspannung – verschiedene Generatorbauarten aufzulisten, würde an dieser Stelle zu weit vom Thema wegführen.

Wichtig für das Grundverständnis ist nur Folgendes: Immer wird eine mechanische Drehbewegung mithilfe von Magnetismus bzw. Elektromagnetismus in elektrischen Strom umgewandelt. Wie diese Drehbewegung entsteht, ist aus Sicht der Stromerzeugung irrelevant – wohl aber aus Sicht der dahinterstehenden Nachhaltigkeit.

Bei vielen Generatoren ist es zudem möglich, sie durch eine Umkehrung des Strom- bzw. Bewegungsenergieflusses zu Elektromotoren zu machen. Besonders prominent wird das bei vielen modernen Verbrenner-Fahrzeugen genutzt:

• Zum Starten des Verbrennungsmotors wird der Anlasser mit Strom aus der Batterie versorgt. Dadurch beginnt er sich zu drehen und fungiert als Elektromotor.
• Läuft der Verbrennungsmotor anschließend, dann treibt er über dasselbe Zahnrad den Anlasser an. Dadurch wird dieser zum Generator, der die Batterie (genauer gesagt den Akku) mit Strom versorgt.

Photovoltaik – von Licht- zu elektrischer Energie

Licht ist aus physikalischer Sicht ein komplexes Phänomen. Ganz einfach erläutert, kann man es sich als Photonen vorstellen, die dazu in der Lage sind, Elektronen anzuregen – und wenn sich Elektronen bewegen, dann entsteht, wie erwähnt, elektrischer Strom.

Das bringt uns zur Photovoltaik (PV), also dem Erzeugen von (Gleich-)Strom in einer Solarzelle. PV gilt heute, neben dem Generator-erzeugten Strom in Windkraftanlagen, als mit Abstand wichtigste Technik für eine nachhaltige Stromversorgung. Entsprechend reichlich wird sie genutzt und ist sie in vielfältigen Varianten verfügbar. Die Herangehensweise reicht hierbei von gigantischen Stromfarmen mit tausenden Modulen, über weitgehend mit PV-Platten gedeckte Dächer, bis hin zu technisch und regulatorisch niedrigschwelligen Lösung in Form des Balkonkraftwerks.

Das ist letzten Endes ein aus kompakten und hochflexibel montierbaren Modulbausteinen bestehendes Mini-Solarkraftwerk. Dadurch ist es geeignet für zahlreiche Einsatzszenarien und Montageorte, auch abseits des namensgebenden Balkons. So kann es zum Beispiel ebenso auf dem Dach, an der Fassade oder im Garten genutzt werden und den Stromverbrauch und die damit verbundenen Kosten merklich senken.

Einmal mehr gilt: Es gibt verschiedene Wege, Licht in Strom umzuwandeln. Sie unterscheiden sich durch die verwendeten Materialien und Bauformen. Die heutzutage häufigste Herangehensweise fußt auf Silizium-Halbleitern. Stets ist eine Solarzelle schichtweise aufgebaut. Von oben (Sonnenseite) nach unten sieht das folgendermaßen aus:

1. negative Elektrode
2. n-dotiertes Silizium
3. Grenzschicht oder p-n-Übergang
4. p-dotiertes Silizium

In der n-dotierten Schicht herrscht ein Überschuss an Elektronen. In der p-dotierten Schicht dagegen ein Mangel. Trifft nun Licht auf die Solarzelle, dann lösen sich in der Grenzschicht Elektronen und wandern in die p-dotierte Schicht. Das hinterlässt positive „Ladungslöcher“. Wird der Stromkreis geschlossen, dann fließen Elektroden aus der p-dotierten Schicht darüber in besagte Löcher.

Je mehr Licht auf die Zelle fällt, desto stärker wird der Effekt. Ähnlich, wie in den meisten Batterien bzw. Akkus, so kann auch in einer Solarzelle nur Gleichstrom entstehen. Für häusliche Anwendungen ist deshalb stets ein Wechselrichter nötig – ein Stromwandler, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Stromverbrauch: Unsere energiehungrige Welt

Eigentlich kann elektrischer Strom – gemäß den Gesetzen der Thermodynamik – weder erzeugt noch verbraucht werden. Stets findet nur eine Umwandlung von einer in eine andere Energieform statt.

Dennoch ist es nötig, andauernd Energien bzw. Energieträger in elektrischen Strom umzuwandeln. Schlicht, weil auf der „Verbraucher“-Seite ebenso eine ständige Umwandlung stattfindet, beispielsweise in Wärme oder Bewegungsenergie. Insofern findet – wenngleich nur umgangssprachlich korrekt – in der Tat ständig eine gigantische Erzeugung samt Verbrauch statt.

Wichtigste Kenngröße hierbei ist die Wattstunde (Wh). Das ist die Energiemenge, die bei einer Leistung von einem Watt in einer Stunde umgesetzt wird. Wir sprechen auf nationaler Ebene allerdings von riesigen Mengen. Daher geht es hier um Mega- (Million), Giga- (Milliarden) und Terawattstunden (Billionen).

Aktuelle Zahlen verraten, wie groß die Maßstäbe sind – selbst wenn man sich nur auf Deutschland fokussiert:

• 2022 wurden in Deutschland, alle Energieträger zusammen, 2.366 Terawattstunden Energie verbraucht – also unglaubliche 2,3 Billiarden Wattstunden. Zum Vergleich: Eine klassische Glühbirne mit 60 Watt, die eine Stunde lang brennt, setzt 60 Wattstunden um.
• Im selben Jahr belief sich der reine Stromverbrauch in der Bundesrepublik auf 551 Terawattstunden. Ein Jahr später, 2023, waren es 525 Terawattstunden. Damit folgen wir einem schon Mitte der 2000er Jahre begonnenen Trend reduzierter Stromverbräuche. Paradoxerweise, obwohl seitdem mehr Stromverbraucher hinzukamen. Letzteres klärt sich jedoch bei einer Betrachtung der Sektoren auf:
• 2023 war die Industrie der mit Abstand „stromhungrigste“ Verbraucher. Ihr Anteil belief sich auf 43 Prozent des Gesamtverbrauchs. Auf Platz 2 folgte der Haushaltsstromverbrauch mit 28 Prozent – der einzige Sektor, der im 10-Jahres-Vergleich nennenswerte Verbrauchszuwächse verzeichnete. Konkret 4 Prozent gegenüber 2013. Gewerbe, Dienstleistung und Handel hatten mit 26 Prozent einen vergleichbaren Anteil. Der Verkehr war mit den verbliebenen 3 Prozent am geringsten beteiligt.

Allerdings darf man diese Zahlen nicht nur als Verbräuche interpretieren, die aktiv durch den Betrieb von Maschinen, Beleuchtung, Prozesse usw. hervorgerufen werden. Hinzugerechnet werden müssen noch zwei Dinge:

Eigenverbrauch: Das ist der Strom, den ein Erzeuger zwangsläufig benötigt, um Strom zu erzeugen. Ein Kohlekraftwerk beispielsweise benötigt, je nach Effizienzgrad und Größe der gesamten Anlage, zwischen 4 und 10 Prozent seines Stromes nur zur Eigenbedarfsdeckung. Bei einer Windkraftanlage sind es hingegen lediglich bis zu 0,5 Prozent.

Netzverluste: Es gibt leider keinen elektrischen Leiter, der bei Normal- bzw. Raumtemperaturen und gleichzeitig Normaldruck einen Widerstand von 0 Ohm aufweist. Ob Kraftwerk, Stromleitung, Transformator oder Elektromotor: Wo immer Strom fließt, wird deshalb ein gewisser Teil der Elektrizität zwangsläufig in Wärme umgewandelt.

Dadurch kommt am verbraucherseitigen Ende stets weniger an, als am Anfang eingespeist wurde. 2023 betrugen die Verluste allein in den deutschen Stromnetzen 2,55 Terawattstunden. Praktisch kommen hier noch die – nicht in ihrer Gesamtheit messbaren – Verluste aller Netzgeräte, geräteinterner Leitungen usw. hinzu.

Stromstörungen – selten, aber gefährlich

Es gibt unterschiedlichste Gründe, warum Strom nicht so fließt, wie er es eigentlich tun sollte. Ganz grob lassen sich hierbei drei Ursachen ausmachen:

1. Versorgungsschwierigkeiten: Es steht nicht genug Energie zur Stromerzeugung zur Verfügung.
2. Technische Fehler: Sie stören die Erzeugung, Weiterleitung oder Umsetzung.
3. Netzungleichgewicht: Entweder sind Erzeugung oder Verbrauch spontan zu groß oder gering.

Innerhalb davon gibt es zahlreiche einzelne Ursachen. Dabei unterscheiden Fachleute noch nach Arten von Störungen:

Netzwischer: Das sind minimale Störungen im Bereich von wenigen Millisekunden. Sie entstehen beispielsweise durch Blitzeinschläge oder wenn in Schalt- oder Umspannwerken die Technik nicht schnell genug arbeitet.

Brownout: In solchen Fällen wird deutlich mehr verbraucht als aktuell zur Verfügung steht. Dadurch werden angeschlossene Verbraucher mit zu geringer Spannung versorgt. Schäden sind dabei nicht zu befürchten, allerdings kann es zu Verlusten von Funktionen oder Daten kommen.

Surge: Hierbei wird mehr erzeugt als verbraucht wird. Funktioniert die Regelung der Netztechnik nicht rasch genug, kann das bei Verbrauchern zu Überspannungen führen. Diese können durchaus größere Schäden verursachen. Allerdings gibt es diverse Schutztechniken, Sicherungen, die in solchen Fällen ein „Durchschlagen“ der Überspannung bis an die angeschlossenen Systeme verhindern.

Blackout: Ein „richtiger“ Stromausfall, der mindestens eine Minute lang dauert, aber nach oben zeitlich unbegrenzt ist. Er kann beispielsweise entstehen, weil es zu sogenannten Lastabwürfen kommt – eine Maßnahme, um Stromnetze großflächig zulasten bestimmter Verbraucher oder Verbrauchsregionen zu schützen.

Tatsache ist: Ein langwieriger, großflächiger Blackout hätte in Industrienationen verheerende Folgen. Denn insbesondere Kraftwerke reagieren eher träge. Man kann sie daher nicht nach Belieben ausschalten wie einen Automotor. Zudem benötigen viele Kraftwerke paradoxerweise Netzstrom zum Anlaufen und um sich wieder mit der Wechselstromfrequenz zu synchronisieren.

Überdies sind die Stromnetze in Deutschland und anderen Staaten sehr komplex aufgebaut. Das ermöglicht es ihnen zwar, auf verschiedenste Störungen ohne weitläufige Stromausfälle zu reagieren. Ebenso steigt durch die Komplexität die Zahl möglicher Fehlerpunkte.

Da heute so vieles in modernen Nationen von einer ständig funktionierenden Stromversorgung abhängt, würde bereits ein wenige Stunden andauernder Blackout Schäden im Millionenbereich verursachen.

Doch obwohl verschiedene Medien, Politiker, Roman- und Drehbuchautoren und andere Personen bereits den Blackout zum Anlass für Katastrophenszenarien nahmen, und außerdem der Katastrophenschutz davor warnt und dafür plant, sind zwei Dinge festzustellen:

• Wohl gab es weltweit immer wieder größere regionalere Blackouts. Darunter solche, die mehrere Tage andauerten.
• Bislang kam es jedoch noch nie zu einem „Super-GAU-Blackout“, der ganze Länder oder noch größere Regionen tage- oder gar wochenlang lahmlegte und die Gesellschaft an den Rande des Zusammenbruchs führte.

Einmal mehr auf Deutschland bezogen lässt sich hier eine sehr nüchterne Zahl präsentieren: 2022, also einem Jahr, das aufgrund der durch den Ukraine-Krieg bedingten Energiekrise „schwierig“ war, musste jeder Deutsche im Schnitt gerade einmal 12,2 Minuten auf Strom verzichten – von 525.960 Minuten des ganzen Jahres.

Das soll nicht die potenziellen Auswirkungen eines großen, langandauernden Stromausfalls verharmlosen. Ein solcher wäre in der Tat katastrophal. Er ist nur aufgrund der Qualität des deutsch-europäischen Stromnetzes und der Vielfalt von Stromerzeugern ein ziemlich unwahrscheinliches Szenario.

Das äußerst renommierte Forschungszentrum Jülich nahm diesbezüglich in einem Fachbeitrag kein Blatt vor den Mund und betitelte den Text konsequent mit „Das Blackout-Märchen“.