Zukunft des Stromnetzes | Gleich- oder Wechselstrom?
Das gesamte europäische Verbundnetz basiert auf Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz. Gleichzeitig werden Anwendungen für Gleichstrom, beispielsweise durch den steigenden Einsatz von Li-Ionen Batterien, immer wichtiger. Auch in den Übertragungsnetzen wächst durch die Energiewende und die damit verbundene Zunahme an erneuerbarer Einspeisung die Bedeutung von Gleichstromtrassen (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung). Hier in Deutschland vor allem bekannt durch die Diskussion über die neuen Nord-Süd-Stromtrassen für Windstrom.
Warum das so ist, werdet ihr, nachdem ihr das Video gesehen habt, verstehen.
Dazu werden wir uns die Unterschiede zwischen Gleichstrom und Wechselstrom genauer betrachten und insbesondere auf die Vor- und Nachteile von Gleich- und Wechselstrom genauer eingehen.
Um zu verstehen, warum die meisten Stromnetze weltweit auf Wechselstrom beruhen, schauen wir uns auch die Geschichte von Gleich- und Wechselstrom genauer an.
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/ ingenieurskunst
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Kapitel Übersicht:
0:00 Einleitung
01:01 Geschichte - Stromkrieg (Gleichstrom vs. Wechselstrom)
03:50 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
04:53 Vorteile von Wechselstrom und Gleichstrom
06:30 Zukunft der Stromnetze und Fazit
Dokumentation zum Stromkrieg: • Geniale Rivalen: Elekt...
Bild Edison: Giovanni Viafora, CC BY-SA 4.0 creativecommons.org/licenses/..., via Wikimedia Commons
Super gemacht, danke :)
Gut erklärt 👍
Die Übertragungsverluste bei Wechselstrom werden dominat durch den Kapazitätsbelag bestimmt. Freileitungen sind da besser als Kabel. Bei Gleichstrom HGÜ entfällt der Nachteil. Rein ohmsche Verluste haben beide Systeme.
Zahlen über konkrete Verluste bezügich Spannungen und Strecken, einschießlich Netzkosten wären interessant gewesen.
Danke 🙏
Bitte sehr! :)
Deswegen wollte Siemens zB vor 8 Jahren schon HGÜ Netze bauen. HGÜ hat handfeste Vorteile und viele Nachteile von damals gibt es heute nicht mehr. Vor allem braucht es nicht an jeder Wechselstromquelle einen Gleichrichter, kostet halt viel Zeit und Geld bis wir durch sind.
Super
Generatoren brauchen tatsächlich auch einen Umrichter, wenn man sie effizient mit variabler Drehzahl nutzen möchte (z.B. bei Windkraftanlagen). Bei Gleichstrom-Netzen besteht aber noch immer das Problem der Netzsteuerung. Über die Netzfrequenz hat man bei Wechselstrom einen impliziten und global verfügbaren Informations-Kanal über den man den Netzzustand ablesen kann. Bei Gleichspannung funktioniert das nicht, sodass man zusätzliche explizite Informationskanäle braucht.
Wäre interessant zu wissen ob sich einige Hersteller schon auf eine Voltzahl geeinigt haben mit der man zukünftig die Geräte betreiben will dann könnten man das Hausnetzt bereits entsprechend auslegen bei einem Neubau und die wandlungsverluste in jedem Gerät minimieren da die Solar und Batteriespeicher ja ebenfalls schon mit Gleichstrom laufen. Wenn ich heute neu bauen würde dann würde ich mindestens die komplette Beleuchtung schon auf Gleichstrom auslegen.
Schöner junger Kanal. Wie machst du deine Animationen und wie ist der Arbeitsaufwand? Die werten das sehr auf.
Danke dir, die Videos erstelle ich mit Doodly. Der Aufwand unterscheidet sich stark, je nach dem ob man die Grafiken selbst erstellt oder i nicht, aber es stecken schon einige Stunden an Arbeit in jedem Video.
@@_Ingenieurskunst Danke dir! Ich bin selbst auch NaWi, aber Agrarler. Du hast bestimmt ne Menge Ideen für weitere Videos, aber was ich beim Thema Strom interessant finde sind folgende Themen - was macht Strom wirklich lebensgefährlich (Stärke oder Spannung, oder Kombi? - wie schnell fließt Strom (hier kenne ich die Antwort) Auch frage ich mich, warum es in einem Stromnetz eigentlich nicht zu einem Kurzschluss kommt
Danke für die Anregungen, kommen auf den Zettel :) - Wie meinst du die letzte Frage? Im Netz kommt es immer wieder mal dazu, aber es gibt halt Schutzvorrichtungen wie Sicherungen, Trennschalter, etc. um größere Schäden zu vermeiden
@@_Ingenieurskunst Wenn ich mehrere Steckerleisten untereinander verbinden würde, würde ich ja einen Kurzschluss provozieren, oder? Was unterscheidet so ein "Netz" vom großen Stromnetz? Sowas frage ich mich z.B. immer mal wieder ab und zu
@@teamtyp1 Einen Kurzschluss erzeugst du indem du in deinem Steckdosen Beispiel (1 Phasig) die Phase mit Erde verbindest. Du kannst also viele 3er Stecker aneinander hängen das ist kein erstmal kein Problem (solltest du wegen der maximalen Leistung trotzdem nicht machen). Erst wenn du irgendwo eine Leitende Verbindung (sehr kleiner Widerstand) zwischen den beiden "Löchern" in den Steckdosen erzeugst, hast du einen Kurzschluss.
Ich wünschte mir ein Hausnetz mit Gleichstrom, schließlich funktioniert fast jedes Gerät mit diesem.
Da bist du nicht der einzige - die Idee wird seit einiger Zeit diskutiert, ist interessant und bringt durchaus Vorteile mit sich. Wenn man ein 2. Netz im Haus hat, ist das allerdings ein entsprechender Mehraufwand, und nur Gleichstrom ist wohl auch nicht (zumindest noch nicht) die Lösung, da man für einige Geräte eben doch noch Wechselstrom benötigt. (www.haus.de/smart-home/gleichstrom-netz-im-haus-senkt-energieverbrauch-16571)
@@_Ingenieurskunst Was wenn wir Gleichstrom only gehen und während der Übergangsphase einfach kleine Wechselrichter zwischen das heimische Gleichstromnetz und ein Wechselstromgerät klemmen? Ich stelle mir hier einen Kasten vor welcher auf einer Seite ein Kabel mit Stecker für die Gleichstromsteckdose hat und auf der anderen Seite eine oder mehrere C Dosen. Klar brächte man dann extra Geräte (eben die Wechselrichter) um alte Geräte betreiben zu können aber das ist in meinen Augen kein Hinderungsgrund.
@@thomasv10lator70 wenn die Spannung im Hausnetz bei circa 120V DC läge, dann sollten die meisten Geräte die für den amerikanischen Markt produziert wurden eigentlich problemlos funktionieren. Auch die in Europa verwendeten Geräte mit einem Schaltnetzteil vertagen normalerweise Eingangsspannungen im Bereich von 100 bis 240 Volt. Müsste mal Jemand ausprobieren. Die Umstellung wäre eventuell einfacher als man denkt. Und bis 120V DC bewegt man sich noch im Bereich der Schutzspannung (SELV-Netz), kann aber die benötigten Leistungen für fast alle Geräte mit relativ geringen Strömen verlustarm übertragen. Die Übertragungsnetze könnten erstmal ruhig bei Wechselstrom bleiben. Wenn man damit nur noch ein Batterieladegerät betreibt, dann braucht man auch kein so stabiles Netz mehr und die Verluste dadurch wären auch deutlich weniger als durch den Wechselrichter, insbesondere wenn eh mehr als 50% des Stroms direkt aus der eigenen PV-Anlage kommen.
@@marcof.3056 Wer kann sich den Bitte heute noch eine PV - Anlage leisten geschweige ein eigenes Haus um sie auf das Dach zusetzen? In Mietshäusern mit Balkon ist das schon ein Kampf da eine Erlaubnis zu bekommen... Allein die Wandler die aus 120V Gleichspannung geringere machen sind in guter Leistung relativ Teuer. Preisgünstige sind nicht grad gut Dauerbelastbar. Die Idee von Edison wahr ganz einfach, Weniger Reichweite bedeutet mehr Kraftwerke die man Verkauft, Edison wahr Geschäftsmann der Geldverdienen wollte, Nikola Teslar hatte Ideen Strom Drahtlos zu übertragen was aber aufgrund des Desinteresse von groß industriellen nicht mehr zustande kam. Teslar wahr seiner Zeit weit vorraus nur Verdiente man in der Sicht anderer damit kein Geld wenn Energie Kostenfrei für alle zur Verfügung stände. Es gibt mittlerweile die Vermutung das die Pyramiden zur Stromerzeugung dienten und Teslar herausfand wie das Funktionierte allerdings stieß das auf kein Verständnis und man Stempelte Teslar als Verrückt ab um seine Forschungen zu Unterbinden, Werner von Siemens machte auf den Pyramiden ähnliche Entdeckungen in dem er durch Die Statische Atmosphäre auf der Pyramidenspietze Blitze mit einen Gerät einfing und die Einheimischen ihn baten dies Sofort zu unterlassen.
@@marcof.3056 Hmm, mit 120 V DC würden sich die Ströme für gleiche Leistung verdoppeln. Kein Problem für Kleinverbraucher (so die üblichen Kandidaten inkl. Kühl-Gefrier-Kombination), aber wenn jemand leistungshungrige Geräte anschließen will, sind die Leitungen im Haus vermutlich nicht mehr ausreichend. Könnte durchaus auch schon für Durchlauferhitzer ein Problem sein, selbst wenn die ihre eigene Leitung zum Sicherungskasten haben (speziell ältere Installationen sind da vielleicht nicht ausreichend). Und dann laufen viele dieser leistungshungrigen Geräte am 3-Phasen-Wechselstrom. Und dann wäre da noch die Frage, ob die aktuell verbauten Stromzähler auch Gleichstrom verarbeiten können. Oh, die von mir angesprochenen leistungshungrigen Geräte (inkl. Elektroherde und Elektro-Backöfen) sind ebenfalls für 240 V oder Drehstrom ausgelegt - müsste alles ausgetauscht werden (oder eben Wechselrichter in Haushalten mit Altgeräten, was wiederum Energieverluste mit sich bringt und Kosten verursacht). Es müsste dann im Haushalt mehrere Stromnetze/Anschlüsse geben: 120 V DC für Kleinverbraucher, 240 V AC für entsprechend ausgelegte Verbraucher, 400 V AC Drehstrom (das, was "von außen" kommt) für die richtig leistungshungrigen Verbraucher. Der Wechselrichter an Batterie/PV-Anlage wird weiterhin benötigt - es sei denn, man betreibt all seine energiehungrigen Geräte am von außen kommenden Wechselstromnetz, und nur den Kleinkram über PV. Kommt Gleichstrom von außen, müsste *alles* im Haushalt getauscht werden, oder in jedem Haushalt müsste ein entsprechend leistungsfähiger Wechselrichter eingebaut werden. Wir reden hier von Millionen Haushalten nur in DE …
Welche Auswirkungen hätte das eigentlich auf unsere Netzstabilität, gibt es da Unterschiede?
Hier gibt es große Unterschiede. Ein Gleichstrom-Netz hat keine Netzfrequenz. Zu wenig Erzeugung bzw. zu viel Verbrauch führt hier immer direkt zu einem Spannungseinbruch. Das aktuell genutzte Regelungskonzept im Netz beruht, um Erzeugung und Verbrauch immer gleich zu halten, komplett auf der Netzfrequenz. Im Gleichstrom-Netz gäbe es also gar keine "Stabilität des Gesamtnetzes" und dadurch wohl auch nicht das gesamt "Blackout-Szenario", dafür wäre die Spannungshaltung an jedem einzelnen Netzkonten vermutlich etwas aufwendiger - im Detail habe ich mich damit aber bisher auch noch nicht beschäftigt.
könnte man dann nicht um transformationsverluste zu sparen große batteriekraftwerke dann wenn es die gibt nicht direkt an so eine HGÜ Anschließen.
Das ist technisch nicht ganz so einfach. Zum einen ist die Spannung bei HGÜ sehr hoch, man müsste also sehr viele Zellen mit 3,6V in reihe Schalten um auf die entsprechende Spannung zu kommen. Zudem muss die Spannung zum Laden/Entladen der Batterie geregelt werden, man bräuchte also sowieso zusätzliche DC/DC Konverter, die dann ebenfalls wieder Verlustbehaftet sind. Grundsätzlich ist der Gedanke aber richtig, sich genau zu überlegen, wo man Speicher optimal positioniert.
@@_Ingenieurskunst vielen dank für die schnelle Antwort.
Mark 4:18 : "Durch die Erhöhung der Spannung verringern sich die Ströme bei der Übertragung und die Verluste werden geriger. Insbesondere bei längeren Strecken werden so mit Gleichstrom deutlich geringere Verluste erzielt als mit einer Hochspannungswechselstromübertrqagung." Die Information im 1. Satz ist aber sowohl für den Gleich- als auch für den Wechselstrom richtig. Reduzierung des Stromflusses ist immer vorteilhaft wegen der ohmischen Verluste. Der 2. Satz *erklärt aber trotzdem nicht* warum der Gleichstromtransport (besonders!) bei längeren Strecken günstiger ist und die Verluste bei der zweifachen Wechsel-/Gleichstromwandlung wettmacht. Es ist leider Schade bei dem so hochwertigen Video. Liegt es an der Kapazitiven oder Induktiven Leitungslast? Wie hoch sind diese zu den ohmischen zusätzlichen Verluste?
Das Thema ist tatsächlich nicht ganz einfach zu beantworten, da es mehrere Effekte sind, die hier reinspielen. Die Übertragungsverluste auf der Leitung sind geringer, zum einen durch die höhere Spannung (gibt einige HGÜ Projekte mit deutlich über 380 kV) - hier spielen auch Korona-Entladungen eine Rolle - die bei AC mehr Verluste erzeugen und die Spannung mehr begrenzen. Der Skin Effekt spielt auch eine Rolle, diese ist aber eher kleiner. Und auch die Blindleistung bei AC Übertragungen spielt eine Rolle - hier muss man aber unterschieden zwischen Kabeln und Freileitungen - insbesondere bei Kabeln (z.B. Tiefseekabel) lohnt sich daher eine HGÜ schon bei deutlich kürzeren Strecken im Bereich von 50-100 km. Dass man überhaupt eine Streckenabhängigkeit hat, liegt daran, dass man durch die Wandlung von AC auf DC und wieder zurück zusätzliche Verluste hat - erst wenn die reduzierten Leitungsverluste aufgrund der Strecke diese Wanderungsverluste kompensieren, fängt eine HGÜ an Sinn zu machen. Worauf du eventuell auch noch anspielst, ist eine Blindleistungskompensation, die aufgrund von Induktivität/Kapazität auf langen AC-Übertragungsstrecken notwendig werden kann.
Du erz. ab 2:10 das Gleichstrom die schwierigkeiten hat und ab 5:27 das Wechselstrom die übertragungsschwierigkeiten hat. Was den nun?
Bei 2:10 erzähle ich über die Geschichte. Damals war es technisch noch nicht möglich, Gleichstrom auf hohe Spannungslevel zu bekommen. Dafür braucht man Leistungselektronik und die Leistungshalbleiter Technik gab es damals noch gar nicht. Einen Wechselstrom kann man sehr leicht durch einen Trafo auf hohe Spannungen bringen, damit die Ströme bei der Übertragung verkleinern und die Verluste reduzieren. Heute, mit modernen Halbleitern ist bei langen Strecken dann aber eine Hochspannungsgleichstromübertragung zwar aufwendiger durch die Leistungselektronik auf beiden Seiten, aber auch Verlustärmer. Daher werden lange Übertragungsstrecken heute häufig mittels HGÜ umgesetzt.
Besten Dank für die Erklärung@@_Ingenieurskunst
Leider fehlt in diesem Beitrag die m.E. wichtige Erläuterung von zentralen und dezentralen Netzen.