Warum wird elektrische Energie mit Hochspannung übertragen?

Auf der Seite  Auch Leitungen haben Widerstände und Verluste hast du gelernt, dass man die Verluste einer Leitung verkleinern kann, wenn man die Stromstärke in der Zuleitung verkleinert.

Aber wie macht man die Stromstärke klein, wenn man eine bestimmte Leistung übertragen möchte?

1.) Zwei ähnliche Experimente mit völlig unterschiedlichem Ergebnis.

Zur Beantwortung dieser Frage besprechen wir zwei Experimente. Bei den Versuchen geht es darum, Glühlampen mit (fast) gleicher Leistung P an derselben Leitung zu betreiben.
Die Leitungen (Hin- und Rückleitung) bestehen jeweils aus einem 1,0 m langen Konstantandraht von 0,4 mm Durchmesser.
Solche Drähte gibt es in Physiksammlungen häufig.

Experiment 1 - Spannung U klein, Stromstärke I groß.

Zwei 12 V Halogenlampen mit 35 W, wie man sie auch in Wohnungen oft findet, werden an eine 12 V Quelle (Netzgerät) angeschlossen. Die linke Lampe direkt an der Quelle (Kraftwerk) leuchtet normal. So hell, dass sie das Foto völlig überstrahlt und gar nicht richtig zu sehen ist.

Die rechte, an der Leitung angeschlossene Lampe leuchtet deutlich dunkler, fast gar nicht.
Das bleibt auch so, wenn man die Lampen austauscht, an den Lampen liegt es also nicht!
Eine Messung der Spannung an den Anschlüssen der rechten Lampe zeigt, dass dort nur eine Spannung U_G von etwa 3 V zur Verfügung steht.
Statt der ursprünglich in die Leitung eingespeisten 12,7 V sind beim Kunden nur etwa ein Drittel "angekommen", zwei Drittel gehen "beim Transport verloren"!

Experiment 2 - Spannung U groß, Stromstärke I klein.

Wir verwenden die gleiche Leitung wie in Versuch 1. Diesmal benutzen wir aber Glühlampen für 230 V mit 40 W.
Natürlich müssen 230 V Lampen auch an 230 V (Steckdose) betrieben werden, bei 12 V würden sie nicht leuchten..
Vorsicht, Leitungen nicht berühren!

Diesmal ist das Ergebnis ein völlig anderes!
Die Lampe direkt an der Quelle (Kraftwerk) leuchtet normal und auch die zweite Lampe (beim Kunden) leuchtet normal.
Eine Messung der Spannung an den Anschlüssen dieser Lampe zeigt, dass dort noch fast dieselbe Spannung zur Verfügung steht wie beim "Kraftwerk". Die Verluste in der Leitung sind also minimal.

Vergleich der beiden Experimente:

Auf die elektrische Leistung der Geräte, die der Kunde anschließt, haben die Elektrizitätsunternehmen keinen Einfluss. Sie hängt davon ab, welche Geräte der Kunde in Betrieb nimmt. Die elektrische Leistung einer Waschmaschine ist eben größer als die elektrische Leistung eines Computers.

Möchte man also eine bestimmte elektrische Leistung (z.B. 40 W) übertragen, so gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Die zweite Lösung - der Transport mit "Hochspannung" - ist offenbar günstiger:
die Verluste beim Transport der elektrischen Energie vom Kraftwerk zum Kunden sind hier kleiner, weil die Stromstärke klein ist.
vgl. auch diese Seite  Auch Leitungen haben Widerstände und Verluste

2.) Wie macht man aus kleinen Spannungen große Spannungen?

Um die Verluste gering zu halten, sollte man also die elektrische Energie mit Hochspannung übertragen.
Umgekehrt wollen wir keine gefährliche Hochspannung von 10.000 V oder mehr bei uns im Haus. Die Gefahr von tödlichen Unfällen durch Stromschläge wäre zu groß.

Glücklicherweise übertragen wir Wechselspannungen. Man kann mit Hilfe von Transformatoren aus kleinen Wechselspannungen große machen und umgekehrt.
Am Kraftwerk wird die Spannung des Generators mit einem Hochspannungstranformator auf z.B.100.000 V gebracht.
Für eine bestimmte übertragene Leistung hat man dann in der Transportleitung eine hohe Spannung und eine kleine Stromstärke - und damit geringe Verluste.
Beim Kunden wird die Hochspannung dann wieder heruntertransformiert.

Grundlagen zum Transformator findest du hier:

;Die Transformatorgleichung
;Hochspannungs- und Niederspannungstransformatoren
;Leistungsübertragung beim idealen Transformator

Im hier folgenden Applet kannst du die Energieübertragung mit Hochspannung simulieren.
Die Transformatoren werden als ideal, also verlustfrei angesehen, es werden nur die Verluste auf der Transportleitung betrachtet. Auch mögliche Verlust durch elektrische Überschläge zwischen den Leitungen bleiben unberücksichtigt.

Fragen und Aufgaben:

1) Energietransport ohne Hochspannung und Transformatoren.

Wähle zunächst als Übertragungsspannung 200 V und als Widerstand der Fernleitung 20 Ω.

• Wie groß ist die Stromstärke in der Leitung?
• Vergleiche die Verlustleistung P_L in der Leitung mit der Leistung der Herdplatte P_G. Erkläre!
• Erkläre den Wirkungsgrad von 0,5 (= 50 %) bei dieser Übertragung.

Belasse die Übertragungsspannung, aber ändere den Widerstand der Fernleitung auf 100 Ω oder 10 Ω.

• Wie groß sind Verlustleistungen P_L und Wirkungsgrade nun?
• Vergleiche die Verlustleistungen P_L mit der Leistung P_G?
• Was bedeutet dies für den Wirkungsgrad der Energieübertragung?
• Wie sollte der Widerstand der Leitung beschaffen sein, wenn man die Verluste klein halten möchte?

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2) Energietransport mit Hochspannung und Transformatoren.

Wähle nun als Übertragungsspannung 1000 V. Da die Übertragungsspannung nun höher als die Betriebsspannung der Herdplatte (200V) ist, braucht man nun Transformatoren, diese werden dargestellt.
Der Leitungswiderstand ist nun wieder 20 Ω.

• Erkläre die Windungszahlen von Trafo 1 und die Spannungen U₁ und U₂.
• Erkläre die Stromstärken I₁ und I₂.
• Erkläre die Windungszahlen von Trafo 2.
• Wie groß ist die Verlustleistung P_L nun?
• Vergleiche Spannung U₄, Verlustleistungen und Wirkungsgrade bei einer Übertragung ohne Trafos (200 V Übertragungsspannung) und mit Trafos (1000 V Übertragungsspannung) bei 20 Ω Leitungswiderstand.

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3) Hochspannung - die Lösung bei großen Leitungswiderständen.

Nun ist bei Übertragungen auf größere Strecken ein Leitungswiderstand vom 20 Ω sicher viel zu klein.
Wähle größere Leitungswiderstände (100 Ω bzw. 1000 Ω oder 10.000 Ω)!

• Wie verändern sich die Spannung U₄ und die Wirkungsgrade dabei?

Ändere nun bei einem Leitungswiderstand von 100 Ω bzw. 1000 Ω die Übertragungsspannung.

• Wie wirkt sich dies auf die Spannung U₄ und die Wirkungsgrade aus?
• Warum kann man die Übertragungsspannung auf der Fernleitung nicht beliebig groß wählen?

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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA ( Copyright Hinweise) © Javascript dieses Problems: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg, 2012 Fotos: Grüninger, Landesbildungsserver