Mittwoch, 22. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 10: Übungsaufgabe

Vieles aus den letzten Posts (Teil 10) liest man sich nur durch. Es ist eigentlich kein Prüfungsstoff.

Ich habe das trotzdem etwas ausführlicher gepostet, da es ja unser technsicher Alltag ist!

Trotzdem habe ich vor einigen Jahren einmal eine Abituraufgabe zu diesem Thema gefunden, die fast ausschließlich mit Formeln arbeitet, die man in der Mittelstufe nutzt, eigentlich nie in der Oberstufe.

Eine solche Aufgabe habe ich auch bei Leifi entdeckt. Nicht selbst rechnen, aber die Lösung ansehen und sich die Ideen notieren!


Mittelstufenstoff fürs Abitur

Am Wochenende poste ich noch Teil 11: Poyntingvektor. das besprechen wir aber gemeinsam dann im Unterricht, aber dann ist hier alles vollständig enthalten.

 Übrigens: Alles was wir während der Corona-Zeit gemacht haben, findet ihr in eurem Physikbuch
Impulse auf den Seiten 150 - 162, sogar ausführlicher. 

Wechselstromtechnik Teil 10: Energieverluste



schullv
In vielen Zusammenhängen haben wir gesehen, dass elektrischer Strom bei einem ohmschen Widerstand den Draht erwärmt und deshalb Energie verliert. Man merkt das am Spannungsabfall.

Im Video von Eugene wird darauf auch am Ende eingegangen. Ruhig nochmal ansehen.

Formel für Energieverlust:

Leistung P = U * I = R * I², wenn man U = R * I ersetzt.

Der Energieverlust hängt also quadratisch von der Stromstärke ab.

Deshalb transformiert man die vom Kraftwerk erzeugten Spannungen  nach oben, denn dabei sinken die Stromstärken und damit der Energieverlust.

Beispiel:

Überträgt man elektrische Energie statt bei 230 V mit 23000 V (man muss die Spannung dazu hochtransformieren), sinkt der Strom um einen Faktor 100 (230 * 100 = 23 000)  und der Energieverlust sogar  um einen Faktor 10 000!

Natürlich muss man dann am Ende der Übertragungsstrecke, die Spannung wieder herunter transformieren. Aber der Aufwand lohnt sich.

Da aber Wechselstrom auch Radiowellen abstrahlt (lernen wir noch), gibt es einen zusätzlichen Energieverlust längs der Hochspannungsleitungen. Ideal wäre es, wenn man Gleichstrom verwenden könnte.

Früher konnte man Gleichstrom nicht hoch- oder herunter transformieren (Trafos funktionieren logischerweise nicht mit Gleichstrom).
Inzwischen ist es aber mit Halbleiterschaltungen leicht möglich, auch Gleichstrom zu transformieren und es gibt erste Hochspannungsleitungen, die mit Gleichstrom betrieben werden, insgesamt wohl schon über 1000 km.
Bei einer Gleichstromleitung kann der Energieverlust nochmal halbiert werden.

Ein Gleichstromnetz hat auch einen gewaltigen Vorteil: Solarzellen liefern Gleichstrom, den könnte man viel leichter einspeisen!

Irgendwann wird es Supraleiter geben, die bei normalen Temperaturen arbeiten. Dann lässt sich elektrische Energie vollkommen verlustfrei übertragen.

Da man elektrischen Strom nicht effektiv speichern kann, muss immer soviel im Umlauf sein, wie gerade benötigt wird.
Das hat zu komplexen Regelungssystemen geführt, die u.a. von Fraunhofer IEE in Kassel entwickelt und erforscht werden.


Wechselstromtechnik Teil 10: Struktur des deutschen Stromnetzes

Ich zitiere teilweise einen Artikel von Hermann-Friedrich Wagner aus Welt der Physik vom 20.8.17:

Unser Stromnetz weist vier Spannungsebenen auf, die mit Wechselstrom betrieben werden und durch Transformatoren miteinander verbunden sind.

Die Höchstspannungsebene arbeitet mit 220 000 Volt und 380 000 Volt und hatte nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums im Jahr 2016 in Deutschland eine Länge von circa 35 000 Kilometern. Sie bildet den Anschluss an die europäischen Netze und dient zur Verbindung der Ballungsräume über große Entfernungen mit großen Fernleitungen sowie zur Versorgung sehr großer Industriebetriebe. Ihre Leitungen sind die Autobahnen des deutschen Stromnetzes.

An diese Ebene sind die Großkraftwerke angeschlossen. Die Energie wird durch Umspannwerke an die Hochspannungsebene übergeben, welche mit Spannungen von 60 000 bis 220 000 Volt operiert und eine Länge von etwa 77 000 Kilometern aufweist. Sie dient der überregionalen Verteilung des Stroms und beliefert lokale Stromversorger sowie große Industrieanlagen, größere Gewerbebetriebe und die Eisenbahnen.

Die nächste Ebene, die Mittelspannungsebene, arbeitet bei 6000 bis 60 000 Volt, hat eine Länge von etwa 479 000 Kilometern und beliefert unter anderem regionale Verteilernetze sowie kleinere und mittlere Betriebe in der Industrie und im Gewerbe wie zum Beispiel Krankenhäuser.

Die Niederspannungsebene liefert schließlich den Strom mit der bekannten Spannung von 230 Volt oder 400 Volt an die Endverbraucher wie zum Beispiel die Haushalte, kleinere Gewerbeunternehmen und landwirtschaftliche Betriebe. Die Länge dieses Netzes betrug 1,23 Millionen Kilometer.
Das gesamte Stromnetz hatte 2016 eine Länge von etwa 1,8 Millionen Kilometern und benötigt zur Versorgung der unterschiedlichen Spannungsebenen 550 000 Transformatoren. Etwa 1,45 Millionen Kilometer dieses Netzes oder fast 81 Prozent waren 2015 Erdkabel. Da sich der Strom praktisch nicht speichern lässt, muss in dieses Netz in jeder Sekunde so viel Energie eingespeist werden wie benötigt wird, was einen enormen Aufwand an Regelungskapazität bedeutet, um das Netz stabil zu halten.


90 Sekunden Einführung findet ihr in diesem Video:




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