Elektrifizierung

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Als Elektrifizierung (Schweiz auch: Elektrifikation), veraltet auch Elektrisierung, wird allgemein die Bereitstellung der Infrastruktur in Form von Stromnetzen zur Versorgung einer Region oder Landes mit elektrischer Energie bezeichnet. Sie begann in Folge der industriellen Revolution in den 1880er Jahre und stellt einen kontinuierlichen Vorgang dar. Als wesentliche Eigenschaft ermöglicht die Elektrifizierung im großen Maßstab die räumliche Trennung zwischen dem Energieverbraucher, beispielsweise einem elektrischen Antrieb oder Beleuchtung, und dem Kraftwerk in welchem verschiedene Primärenergiequelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Im industriellen Bereich ermöglichte die Elektrifizierung die Ablöse von räumlich beschränkten und mechanisch aufwändigen Energieverteilungsystemen wie den Riemenantrieb.

Geschichtliche Entwicklungen[Bearbeiten]

Elektrische Beleuchtung[Bearbeiten]

Elektrische Kohlebogenlampen bei der Pariser Weltausstellung 1878

Die Elektrifizierung wurde hauptsächlich durch das Aufkommen der elektrischen Beleuchtung initiiert und die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips, das zur Bereitstellung größerer Mengen von elektrischer Energie unabdingbar war. Zunächst wurden größere Veranstaltungen wie die Weltausstellung Paris 1878 mit der neuartigen Kohlebogenlampe ausgestattet. Es folgten verschiedenen weitere Bereiche wie die Theaterbeleuchtung, denn offenes Feuer wie bei der Öl- und Gasbeleuchtung führte immer wieder zu Unfällen wie dem Wiener Ringtheaterbrand. Auch die Beleuchtung des öffentlichen Raums in Form der Straßenbeleuchtung unterstützte die Ausbreitung.[1]

Die zunächst eingesetzten Kohlebogenlampen oder Jablotschkow’schen Kerzen[2] waren für Privathaushalte zu teuer und zu aufwändig oder hatten den Nachteil von Geruchsentwicklung oder Geräuschbildung.

Verbreitung, insbesondere in wohlhabenden Privathaushalten oder Hotels, fand die Kohlenfadenlampe, eine Bauform der Glühlampe, die einen Faden aus Kohle durch den elektrischen Strom zum Glühen bringt. Der Brite Joseph Wilson Swan entwickelte 1878 eine niederohmige Kohlenfadenlampae mit vergleichsweise dicken und leicht zu produzierenden Faden, welcher aber nur an geringen Spannungen betrieben werden konnte.[3] Thomas Alva Edison entwickelte 1879 eine Kohlenfadenlampe mit schwieriger herzustellenden, dünnen Kohlenfaden für eine Betriebsspannung um die 100 V, welche den wirtschaftlichen Durchbruch schaffte. Durch die höhere Spannung war die Möglichkeit zur Stromverteilung in Form erster Gleichstromnetze gegeben. Edison war einer der Ersten, die das Potential der elektrischen Beleuchtung erkannten und kommerziell umsetzen konnte.[4]

Allerdings war die Kohlenfadenlampe anfangs gegenüber der Gasbeleuchtung, insbesondere des von Carl Auer von Welsbach verbesserten Gaslichts, preislich noch wenig konkurrenzfähig. Erst im Laufe der Zeit konnten die Kohlefäden durch heute noch übliche Glühlampen mit Metallfäden aus verschiedenen Metallen mit sehr hohen Schmelzpunkten wie Wolfram ersetzt werden. Dies ermöglichte eine höhere Leistung und längerer Lebensdauer und bei gleicher Helligkeit ein Absenken des Energieverbrauchs.[5] Die Glühlampe verdrängte innerhalb kurzer Zeit die Gasbeleuchtung.[6] Die heute noch gebräuchlichen Drehschalter sind den Drehventilen der damaligen Gasbeleuchtung nachempfunden.

Elektrische Antriebe[Bearbeiten]

Zweiphasen-Synchronmotor, Baujahr 1893

Neben der elektrische Beleuchtung und Elektrowärme spielten elektrische Antriebe von Beginn der Elektrizifzierung eine große Bedeutung. Werner von Siemens ließ im Jahre 1866 seine Dynamomaschine patentieren, deren Aufbau verhalf dem Elektromotor als Antriebsmaschine zum Durchbruch bei einer praxistauglichen breiten Anwendung. Die Bauformen von Elektromotoren wurde im Laufe der Jahre verbessert, so dass der Bedarf an elektrischer Energie für Antriebe immer höher wurde und in Berlin um die Jahrhundertwende (1900) erstmals den Energiebedarf für Beleuchtungszwecke, damals auch „Lichtstrom“ genannt, überstieg.[7]

Die kompakten Elektromotoren verdrängten in Fabriksanlagen zunehmend die sonst üblichen Dampfmaschinen, Gasmotoren, Wasserkraftanlagen und Transmissionen. Dies führte auch zu einer Aufwertung des Handwerks, da mechanische Energie nun ohne weiteres überall verfügbar war.[8] Industriebetriebe schufen oft ihre eigenen Kraftwerke, beispielsweise Märkisches Elektrizitätswerk,[9] die neben elektrischer Energie auch Prozesswärme lieferten. Trotzdem erfolgte die Elektrifizierung bis zum Ersten Weltkrieg immer noch hauptsächlich in den Städten oder an besonders geeigneten Orten.[10][11]

Stromnetze[Bearbeiten]

Gleichstromnetze[Bearbeiten]

Thomas Alva Edison

In der Anfangszeit der elektrischen Energietechnik um die Jahre 1880 bis 1900 waren kleinere, regionale Stromnetze in Form von Inselnetzen vorhanden, welche mit Gleichspannung betrieben wurden. Gleichspannung ist technisch zur Versorgung von Glühlampen und den damals verfügbaren Gleichstrommotoren geeignet, zu der Zeit waren noch keine praktikablen Wechselstrommotoren verfügbar. Außerdem erlaubten Gleichspannungsnetze die direkte Verbindung mit Akkumulatoren zur elektrischen Energiespeicherung, welche grundsätzlich nur mit Gleichspannung arbeiten. Heute übliche Gleichrichter und deren Gegenstücke, die Wechselrichter, waren damals noch nicht verfügbar.

Schaltungsschema von Edisons Dreileitersystem für Gleichspannung
Edisons Gleichstromgenerator Jumbo

Edison bevorzugte Gleichspannungssysteme, in denen bei konstanter Last ein Gleichstrom fließt, da er verschiedene Patente zu Gleichspannungsgeräten hielt und Einkünfte hieraus nicht verlieren wollte. So entwickelte Edison einen der ersten Stromzähler, um den Verbrauch an elektrischer Energie messen und danach verrechnen zu können. Dieser als Edisonzähler bezeichnete Stromzähler konnte nur Gleichströme erfassen.[12][13] Erste Stromnetze von Edison, wie die Pearl Street Station und schematisch in nebenstehender Schaltungsschema vereinfacht dargestellt, sahen in jedem Stadtviertel ein kleines Kraftwerk vor und bestanden aus Gleichstromgeneratoren, mit G1 und G2 in der Skizze bezeichnet. Diese lokalen Edison-Stromnetze besaßen eine Ausbreitung von etwa 1,5 km Durchmesser. Der von ihm entwickelte Gleichstromgenerator Typ Jumbo war 24 t schwer und hatte ungefähr 100 kW Leistung, die für zirka 1200 Glühlampen ausreichte.[14][15]

Diese von Dampfmaschinen angetriebenen Generatoren erzeugten eine sogenannte bipolare Gleichspannung, bezogen auf Erdpotential jeweils auf einen Außenleiter eine positive Gleichspannung von +110 V und auf einen zweiten Außenleiter eine negative Spannung von −110 V. Dadurch sind, mit dem Mittenleiter, der auf Erdpotential liegt, in Summe drei Leiter nötig, weshalb diese Form auch als Dreileiternetz bezeichnet wird.

Durch die Kombination von zwei Generatoren und einer gegenüber Erdpotential positiven und negativen Spannung standen den Verbrauchern zwei unterschiedlich hohe Gleichspannungen zu Verfügung: 110 V und 220 V. Übliche Verbraucher zu der Zeit waren die damals üblichen Kohlenfadenlampen, eine erste Bauform der Glühlampe. Diese wurden mit Spannungen um die 100 V betrieben und zwischen Erde an einen der beiden Außenleiter angeschlossen. Die Lampen wurden in der Anzahl zwischen den beiden Außenleitern möglichst gleichmäßig aufgeteilt. Weitere wesentliche Verbraucher zu der Zeit waren elektrische Gleichstrommotoren für den mechanischen Antrieb von beispielsweise Werkzeugmaschinen. Gleichstrommotoren wurden aufgrund der höheren Leistung im Vergleich zu Glühlampen auf eine höhere, die doppelte Spannung von 220 V ausgelegt, und zwischen den beiden Außenleitern angeschlossen. Dadurch könnten die Querschnitte der Kabel in vertretbarem Rahmen gehalten werden, um den Spannungsverlust längs der Leitung nicht zu stark ansteigen zu lassen.

Diese Form von Dreileiternetz nach Edison ist in Niederspannungsnetzen im nordamerikanischen Raum heute in Form der Einphasen-Dreileiternetze üblich. Die Dreileiteranordnung wird allerdings mit Wechselspannung und einer Netzfrequenz von 60 Hz betrieben. Das Prinzip von Edison mit zwei unterschiedlich hohen Spannungen, die niedrige Spannungen für den Betrieb von leistungsschwachen Geräten wie Beleuchtung und eine hohe Spannung für Geräte mit hohen Stromverbrauch wie Wäschetrockner, ist erhalten geblieben. Von Edisons Dreileiternetzen zu unterscheiden sind auch heute verfügbare Drehstromanschlüsse, wie sie vor allem in Europa üblich sind. Dabei sind auch zwei unterschiedlich hohe Spannungen verfügbar, welche allerdings über einen anderen Verkettungsfaktor zueinander ein anderes Verhältnis als in Einphasennetzen aufweisen. Außerdem steht bei Dreiphasenwechselstrom ein Drehfeld für den direkten Antrieb von Drehfeldmaschinen wie dem Asynchronmotor zur Verfügung, was bei Einphasen-Dreileiternetzen grundsätzlich nicht verfügbar ist.

Gleichstrom spielt in der heutigen Versorgung kaum noch eine Rolle, da durch die Verfügbarkeit von leistungsfähigen Gleichrichtern Verbraucher wie elektronische Geräte sich im Gerät die nötige Gleichspannung erzeugen können. Einige Voll- und Straßenbahnen fahren aus historischen Gründen heute noch mit Gleichstrom. In der Energieversorgung wird Gleichstrom in Form der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) zum Transport der elektrischen Energie über weite Entfernungen eingesetzt, um Blindleistungsprobleme zu vermeiden oder um unterschiedliche Wechselspannungsnetze miteinander in Form der HGÜ-Kurzkupplung verbinden zu können.

Wechselspannungsnetze[Bearbeiten]

Transformator von Gaulard und Gibbs
Transformator von Déri, Bláthy und Zipernowsky

Zu Beginn der Elektrifizierung New Yorks mit Gleichspannung war der Transformator noch nicht erfunden. Erste Arbeiten zu Transformatoren in den ersten Stromnetzen von Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs stammen aus Anfang der 1880er Jahre und waren als sogenannte Lufttransformatoren sehr ineffizient. Diese Transformatoren hatten einen offenen magnetischen Kreis und somit einen hohen magnetischen Streufluss. Mit diesen ersten Transformatoren konnte die zur Verteilung hohe Wechselspannung, die hohe Spannung war aufgrund der Verlustminimierung auf längeren Distanzen nötig, auf niedrigere Spannungen von runden 100 V für die Versorgung einzelner Glühlampen gebracht werden. Der Begriff Transformator war zur damaligen Zeit aber noch nicht üblich; die Geräte wurden als „Sekundär-Generator“ bezeichnet. Davon leitet sich die bis heute übliche Zuordnung der Transformatoren zum Bereich der elektrischen Maschinen ab.[16]

Allerdings war bei dem Transformator nach Gaulard und Gibbs eine starke Lastabhängigkeit gegeben, denn durch das Zu- und Wegschalten einzelner Glühlampen kam es bei den in Reihenschaltung geschalteten Lufttransformatoren aufgrund des hohen Streuflusses und der nur geringen magnetischen Kopplung zu Spannungsänderungen, womit sich die einzelnen Wechselspannungsverbraucher gegenseitig störend beeinflussten. Bei Glühlampen führte dies zu unterschiedlichen Helligkeiten, je nachdem wie viele Glühlampen in der Nachbarschaft gerade eingeschaltet sind.[17] Zur Minderung dieses Störeffektes wurde eine Steuerung in Form eines magnetischen Stabes im Zentrum des Transformators vorgesehen, welcher bei Spannungsschwankungen etwas herausgezogen oder in den Aufbau hinein geschoben werden konnte.

Bei den ersten Gleichstromsystemen fehlte diese störende gegenseitige Beeinflussung und die aufwändige Art der Steuerung des Transformators, da in den ersten räumlich kleinen Gleichstromnetzen von Edison gar keine Transformatoren eingesetzt wurden.

Verbesserung dieser ersten Transformatoren gelang erst ab 1885 den Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy mit einem magnetisch geschlossenen Transformatorkern, ähnlich aufgebaut wie die heute üblichen Ringkerntransformatoren. Außerdem wurden die Primärseiten der einzelnen Transformatoren nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet, womit die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Glühlampen vernachlässigbar klein ist. Durch den Transformator konnten höhere elektrische Spannungen erreicht werden und damit kann die elektrische Leistung mit vergleichsweise geringen Übertragungsverlusten auch über größere Strecken transportiert werden. Dieses grundlegende Prinzip wird heute in der elektrischen Energietechnik angewendet.

Der Unternehmer George Westinghouse hatte zu der Zeit mit rechtlichen Problemen zu kämpfen: Patentrechtlich beschränkten die Hersteller damals häufig das Benutzungsrecht verkaufter Glühlampen auf lizenzierte Stromnetze. Hotels und Büros mit eigenen Generatoren wurden erfolgreich mit gerichtlichen Verfügungen auf Unterlassung der weiteren Nutzung ihrer Glühlampen belegt. Die Glühlampenhersteller sicherten sich so auch den Markt der elektrotechnischen Infrastruktur und behinderten freien Wettbewerb und Innovation. Diese Auswirkungen des Patentrechts wurden in den Zeitungen der damaligen Zeit kritisch kommentiert.[18] Westinghouse konnte im Gegensatz zu Edison seinen Kunden keine komplette Lösung inklusive Stromversorgung anbieten, da er keine Patentrechte für die Produktion von Glühlampen besaß. Auch die Vermarktung von Wechselstrommotoren war durch die entstehende Energieinfrastruktur behindert.

In der Zeit von 1881 bis 1891 wurden die neuesten elektrotechnischen Errungenschaften regelmäßig in Form internationale Elektrizitätsausstellungen einem großen Publikum präsentiert, erweckten entsprechende Begehrlichkeiten und erhöhten so die Nachfrage. Hervorzuheben ist die Internationale Elektrotechnische Ausstellung von 1891, die im Rahmen der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt erstmals zeigte, dass hochtransformierte Wechselspannung über größere Entfernungen transportiert werden konnte. Der relativ einfache Aufbau der elektrischen Energieübertragung bei einer Übertragungsleistung über 100 kW prädestinierte sie als Möglichkeit zur Kraftübertragung, die damals noch mit Druckwasser, Transmissionen oder Druckluft mit kleinräumigen Ausmaß realisiert wurde.[5] Die neun Jahre zuvor im Jahr 1882 in Betrieb genommene Gleichstromfernübertragung Miesbach–München wies im Vergleich dazu eine Übertragungsleistung von runden 1 kW auf.

Verbands- und Firmengründungen[Bearbeiten]

Neben der Technik musste auch das Wissen über die Elektrizität verbreitet werden, und Normierungen mussten vereinbart werden. 1879 gegründete sich der Elektrotechnische Verein e. V., ein Vorläufer des VDE.[19] 1883 wurde erstmals ein Lehrstuhl für Elektrotechnik eingerichtet (siehe Erasmus Kittler). 1887 folgte die Gründung der von Siemens angeregten Physikalisch-Technischen Reichsanstalt, die sich nicht nur auf dem Gebiet der Elektrizität wichtigen Fragen der Normung und Grundlagenforschung widmete. Auch die Gründung namhafter elektrotechnischer Firmen fällt in diesen Zeitraum, beispielsweise 1882 Helios, AEG in 1887, BBC in 1891 [20], Schuckert & Co. 1893, Siemens Werke 1897.

Das erste größere Unternehmen, das eine allgemeine Stromversorgung sowohl mit Kraft- als auch Lichtstrom anbot, waren die 1884 durch Emil Rathenau gegründeten Berliner Elektricitäts-Werke.[21] Die frühen Kraftwerke hatten anfangs starke Ausnutzungsprobleme und ein sehr wenig ausgeglichenes Lastprofil:[22] Während anfangs Elektrizität nur für Beleuchtungszwecke verwendet wurde, wurde später tagsüber immer mehr Kraftstrom benötigt, während abends oder nachts nur noch kleine Energiemengen erforderlich waren, die den Betrieb großer Generatoren nicht mehr wirtschaftlich erscheinen ließ. Diesem Ungleichgewicht konnte nur teilweise mit elektrochemischen Energiespeichern in Form von Akkumulatoren begegnet werden. Zudem wurde durch die zunehmende Verbreitung eine höhere Versorgungssicherheit gefordert, die im Inselbetrieb erhebliche Redundanzen erfordert hätte. Daher fand eine stetige Vernetzung der Kraftwerke untereinander statt, auch über größere Entfernungen durch Überlandzentralen und es bildeten sich die Vorläufer der heutigen Verbundnetze. Zudem konnten die städtischen Kraftwerke alleine oft die geforderte Leistung nicht mehr aufbringen, weshalb nach Einführung der Wechselstrom- oder Drehstromkraftwerke diese außerhalb der Städte angesiedelt wurden, oder an Stellen, wo Primärenergieträger besonders günstig zur Verfügung standen.[23]

So wuchs die Zahl der Kraftwerke bis 1913 sprunghaft, wie die folgende Tabelle anhand der installierten Leistung zeigt:[21][24]

1895 1900 1906 1913 1925 [24] 1928 [24]
Anzahl der Werke 148 652 1338 4040 3372 4225
Leistungsfähigkeit [MW] 40 230 720 2.100 5.683 7.894
Durchschn. Leistung pro Werk [MW] 0,27 0,35 0,54 0,52 1,69 1,87

Durch den Einsatz größerer Einheiten sank die Anzahl der Werke, während die installierte Leistung weiter stieg.

Elektrifizierung ländlicher Räume in den USA, 1930er Jahre

Die Vorteile der elektrischen Energie führten in den 1920er-Jahren zu einer explosionsartigen Ausbreitung auch in ländliche Gebiete,[11][9][25] die teilweise generalstabsmäßig vorangetrieben wurde,[23] z. B. in Bayern durch Oskar von Miller. Die Elektrifizierung wurde oft durch Privatunternehmen, aber auch Electricitätsämter und vor allem im ländlichen Raum auch durch Genossenschaften oder gar Stiftungen realisiert,[26] die teilweise auch die Erschließung der Gas- und Wasserversorgung übernahmen.[10][6][8] So entstand beispielsweise die PreussenElektra, heute Teil der E.ON, im Jahr 1927 aus dem Zusammenschluss der preußischen Elektrizitätsämter und Beteiligungen des preußischen Staates sowie einiger Stadtwerke.[27]

In den USA wurde die Elektrifizierung ländlicher Räume in Form einer Arbeitsbeschaffungsmaßnahme im Rahmen der New-Deal-Years durchgeführt, da im Jahr 1934 erst 11% aller US-Farmen einen Stromanschluss hatten, während in den Ländern Europas wie Frankreich und Deutschland zu der gleichen Zeit an die 90 % aller Bauernhöfe elektrifiziert waren.[28] In der Sowjetunion wurde sie gemäß Lenins Parole „Kommunismus – das ist Sowjetmacht plus Elektrifizierung des ganzen Landes“ offizielle Staatsdoktrin.

Die hohen Kosten der Elektrifizierung führten im Laufe der Zeit zu einer Monopolisierung in der Elektrizitätswirtschaft, durch die die meisten öffentlichen oder genossenschaftlichen Energieversorgungsunternehmen (EVU) in den heute bekannten Groß-EVU aufgingen. Diese Monopolisierung wurde durch das Energiewirtschaftsgesetz von 1935 eingeleitet.[6][8] Das Gesetz sollte ursprünglich die nicht unerheblichen Investitionen schützen, die Elektrifizierung vorantreiben und den Strom durch Vereinheitlichung und Ressourcenbündelung verbilligen, führte aber zu einer starken Abhängigkeit der Kunden von ihrem EVU, die erst durch eine Gesetzesnovelle zur Liberalisierung des Strommarktes zumindest theoretisch aufgehoben wurde. Die Vor- und Nachteile der öffentlichen oder privaten Energieversorgung sind bis heute ein Diskussionsthema. Die damaligen Herausforderungen konnten aber nur von solventen Einrichtungen (großen Unternehmen, öffentliche Hand) abgewickelt werden.

Konvergenz der Systeme[Bearbeiten]

Nach dem Stromkrieg gab es bis in die 1950er-Jahre verbreitet und je nach Region verschiedene Gleichstrom- und Wechselstromnetze die mit unterschiedlicher Spannungen und verschiedener Netzfrequenzen arbeiteten. Die Gleichstromversorgung wurde in Frankfurt am Main erst 1959 endgültig eingestellt und durch Wechselstrom ersetzt.[1] Bei Drehstrom wurden auch dessen Phasenzahl anfangs diskutiert: So favorisierte Nikola Tesla den Zweiphasenwechselstrom, dieser wird heute bei Schrittmotoren verwendet, während Michail von Dolivo-Dobrowolsky mit Kollegen bei der AEG das heute übliche System des Dreiphasenwechselstroms entwickelte.[29][30]

Die Verschiedenheit der Stromversorgungsysteme war auf lokale Gegebenheiten und die unterschiedlichen Systeme zurückzuführen, die häufig zur Ausgrenzung von Konkurrenten eingesetzt wurden. Die unterschiedlichen Formen führten zu Komplikationen bei der Anschaffung von Elektrogeräten, was durch die Entwicklung von sogenannten Allstromgeräten, wie die ersten Röhrenempfänger in den 1920er und 1930er-Jahren, nur teilweise aufgefangen werden konnte. Hinzu kamen patentrechtliche Schwierigkeiten, so war die Verwendung von Drehstrom anfangs durch die Patente von Nikola Tesla behindert.

Netzfrequenz[Bearbeiten]

Die Verwendung von Wechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hz in den europäischen Ländern gehen auf Emil Rathenau, Gründer der AEG, zurück.[31] Eine Veröffentlichung der AEG stellt 1901 fest: „Diese Zahl von 100 Wechseln ist die von der A. E. G. für ihre Drehstromanlagen als normal angenommene sekundliche Wechselzahl“ [32], wobei 100 Wechsel oder Nulldurchgänge in der Sekunde einer Frequenz von 50 Hz entsprechen. Neben Wechselzahl waren zu der Zeit auch Begriffe wie Zyklenzahl, Pulszahl oder Perioden gebräuchlich. So wurden erste Wechselstromkraftwerke und die Installationen der Berliner Elektricitäts-Werke (BEW) auf 50 Hz ausgelegt.[1] Von da an setzten sich die 50 Hz durch die „normative Kraft des Faktischen“ in Deutschland durch, da ein Zusammenschluss von Energienetzen damals prinzipiell nur bei gleicher Frequenzwahl oder mit Hilfe von Umformern erfolgen konnte. Die Vereinheitlichung dauert Jahrzehnte. So waren um 1946 in Europa folgende Netzfrequenzen üblich:[33]

Frequenz (Hz) Region
25 In Teilen von: Frankreich, Deutschland, Schweden, UK
40 In Teilen von: Belgien, Schweiz, UK
42 In Teilen von: Tschechien, Ungarn, Italien, Portugal, Rumänien
45 In Teilen von: Italien
50 Primäre Netzfrequenz im Großteil von Europa
100 Ausschliessliche Verwendung in: Malta

Die Gründe zur Verwendung von 60 Hz in den USA sind wesentlich besser belegt.[34][35] Die gewählte Frequenz von 60 Hz war ein Kompromiss aus den Erfordernissen von Großmaschinen für möglichst niedrige Frequenzen und denen der elektrischen Beleuchtung, die wegen des Flickers, der besonders bei Bogenlampen störend war, möglichst hohe Frequenzen benötigte.[2]

In anderen Ländern sind je nach Einflussbereich aus dem US-amerikanischen oder mehr westeuropäischen Bereich üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz als Netzfrequenz üblich. In einigen Ländern wie Japan sind bis heute unterschiedliche Netzfrequenzen von sowohl 50 Hz als auch 60 Hz in Gebrauch, was auf die unterschiedlichen Lieferanten der elektrischen Grundausstattung in den verschiedenen Landesteilen Anfang des 20. Jahrhunderts zurückgeht.[34]

Netzspannung[Bearbeiten]

Die Netzspannung in Niederspannungsnetz war in den USA schon recht früh auf 110 V bzw. den doppelten Wert von 220 V für elektrische Antriebe festgelegt. Die Verdopplung ergibt sich durch die Schaltung des Einphasen-Dreileiternetzs mit Mittelpunktanzapfung. Die Wahl von 110 V war durch Edisons Kohlefaden-Glühlampen motiviert, die für 100 V ausgelegt waren und man eine Reserve für den Spannungsabfall auf den Leitungen benötigte.

Im europäischen Raum wurde die Spannung in Niederspannungsnetz auf 220 V verdoppelt, um die Verluste zu minimieren. Im Rahmen der Systemkonvergenz und der Verdrängung der Gleichstromnetze wurden in Europa praktisch alle Anschlüsse auf das Dreiphasensystem mit Neutralleiter umgestellt. Die Spannung von 220 V zwischen einen Außenleiter und den Neutralleiter blieb bei dem Sollwert von 220 V, heute ist ein geringfügig anderer Sollwert von 230 V festgelegt, die Spannung zwischen zwei Außenleitern beträgt um den Verkettungsfaktor höhere Spannung von 380 V (bzw. 400 V) und ist für den Anschluss von größeren Verbrauchen und elektrischen Antrieben vorgesehen.

Während in den Höchstspannungsnetzen mit mehr als 110 kV und im Niederspannungsbereich einheitliche Spannungen verwendet werden, finden sich in der Mittelspannungsebene die von lokalen Stromversorgern betrieben werden, historisch bedingt oft noch diverse Spannungsebenen. Die Vereinheitlichung ist neben der Normung durch die hohen Zusatzkosten getrieben, die eine Sonderspannung mit sich bringen würde.[36]

Elektrifizierung heute[Bearbeiten]

Weltweit ist die Elektrifizierung noch nicht abgeschlossen. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) gibt es mehr als 1,4 Milliarden Menschen ohne Zugang zu Strom. Die meisten davon leben in Afrika südlich der Sahara (589 Millionen) und Asien (930 Millionen). Angesichts der in vielen Ländern nur schleppend voranschreitenden Elektrifizierung rechnet man mit nur langsam zurückgehenden Zahlen. Für Afrika wird von der IEA bis 2030 sogar eine steigende Zahl von Menschen ohne Zugang zur Elektrizität prognostiziert.

Größte Herausforderung ist hierbei die ländliche Elektrifizierung. In zahlreichen Ländern Afrikas haben weniger als 20 % der ländlichen Bevölkerung Zugang zur Elektrizität. Aufgrund des in diesen Ländern vorherrschenden Kapitalmangels und relativ geringen Strombedarfs im ländlichen Raum (Hauptbedarf Beleuchtung, Radio und Mobiltelefon, monatlicher Bedarf in der Regel unter 20 kWh) ist der Ausbau der nationalen Netze in ländliche Gegenden oft weder kurzfristig finanzierbar noch ökonomisch sinnvoll. Als Alternative zum Netzausbau bieten sich Inselnetze an. Dabei unterscheidet man zwischen isolierten Haussystemen („Solar Home Systems“, in der Regel mit Gleichstrom betrieben) und kleineren Wechselspannungsnetzen, die sich durch eine zentrale Energieversorgung mit örtlichem Verteilsystem auszeichnen. Als Primärenergie dienen erneuerbare Energien wie Solarstrom kombiniert mit Dieselgeneratoren.

Elektrifizierung von Bahnstrecken[Bearbeiten]

Hauptartikel: Bahnstrom
Eisenbahn-Elektrifizierung in der Bundesrepublik Deutschland bis 1987

Elektrifizierung nennt man speziell die Umstellung einer Eisenbahnstrecke vom Betrieb mit Dampf- oder Dieseltriebfahrzeugen auf den Betrieb mit elektrischen Triebfahrzeugen mit Stromzuführung von außen. Sichtbares äußeres Zeichen ist das Anbringen der Oberleitung oder Stromschiene zur Stromversorgung.

Bei Bahnstromsystemen, bei denen eine separate Versorgung mit Bahnstrom vonnöten ist, müssen Bahnkraftwerke, Unterwerke oder Umformerwerke errichtet werden.

Historische Entwicklung[Bearbeiten]

Die erste elektrisch betriebene Vollbahn in Deutschland war 1895 die 4,3 km lange Bahnstrecke Meckenbeuren–Tettnang, die von der Württembergischen Südbahn abzweigt. Im gleichen Jahr elektrifizierte in den Vereinigten Staaten auch die Baltimore & Ohio Railroad eine fünf Kilometer lange innerstädtische Tunnelstrecke für den Betrieb mit 700 Volt Gleichstrom über eine Oberleitung.

1902 wurde in Wöllersdorf in Niederösterreich die erste mit Hochspannung betriebene Drehstrombahn, und 1904 im Stubaital in Tirol die erste Hochspannungs-Wechselstrombahn der Welt in Betrieb genommen.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Viktoria Arnold: Als das Licht kam. Erinnerungen an die Elektrifizierung. 2. Auflage. Band 11, Böhlau, Wien 1994, ISBN 978-3-205-06161-8.
  •  Florian Blumer: Die Elektrifizierung des dörflichen Alltags. Verlag des Kantons Basel-Landschaft, Liestal 1994, ISBN 3-85673-235-7.
  •  Georg Dettmar, Karl Humburg, Kurt Jäger: Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland. Teil 1: Die Anfänge bis etwa 1890. 2. Auflage. VDE, Berlin 1940, ISBN 3-8007-1568-6 (Reprint der Ausgabe ETZ, 1989).
  •  Georg Dettmar, Karl Humburg, Kurt Jäger: Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland. Teil 2: Von 1890 bis 1920. 2. Auflage. VDE, Berlin 1940, ISBN 3-8007-1699-2 (Reprint der Ausgabe ETZ, 1989).
  •  Hendrik Ehrhardt, Thomas Kroll: Energie in der modernen Gesellschaft: Zeithistorische Perspektiven. Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 2012, ISBN 978-3-525-30030-5.
  •  Thomas P. Hughes: Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. Johns Hopkins University Press, Baltimore 1983, ISBN 0-8018-4614-5.
  •  Gerhard Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. Anfänge der modernen Antriebstechnik und Stromversorgung. vde, Berlin / Offenbach 2004, ISBN 3-8007-2779-X.
  •  Wolfgang Zängl: Deutschlands Strom: die Politik der Elektrifizierung von 1866 bis heute. Campus, Frankfurt am Main 1989, ISBN 3-593-34063-1 (Dissertation an der Universität München, 1988 unter dem Titel: Die Politik der Elektrifizierung Deutschlands 1866 bis 1987).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c Dettmar, G; Humburg, K: "Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland Teil 2". Monogr., ISBN 978-3-8007-1699-9
  2. a b NN:"The Jablochkoff Candle". Online-Ausstellung über Bogenlampen des IET's (englisch), The Institution of Engineering and Technology, England
  3. American History über Joseph Wilson Swan
  4. Hughes T.P.: „The Electrification of America: The System Builders“. Technology and Culture, 20(1979)/1/124-61
  5. a b Riedler, A.: „Emil Rathenau und das Werden der Großwirtschaft“. Monographie, 1916, Berlin (Online auf archive.org)
  6. a b c Zängl, W: „Deutschlands Strom: die Politik der Elektrifizierung von 1866 bis heute“. Monogr./Diss, 1989, ISBN 3-593-34063-1
  7. Wilkens K: „Die Berliner Elektricitäts-Werke zu Beginn des Jahres 1907“. Elektrotechnische Zeitung 28(1907), H. 40, S. 959-63
  8. a b c Baedecker H: „Leitbild und Netzwerk – Techniksoziologische Überlegungen zur Entwicklung des Stromverbundsystems“. Dissertation, Friedrich Alexander Universität Erlangen, 2002
  9. a b Das Märkische Elektrizitätswerk. Stadtwerke Journal, Stadtwerke Eberswalde GmBH, 2(2006), S. 4–5
  10. a b Dipl.-Ing. Leyser: Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft Deutschlands. 1913, doi:10.1007/BF01494961
  11. a b Gabriele Jacobi: „Teufelszeug – Wie der Strom in die Eifel kam.“ (Version vom 29. November 2013 im Internet Archive) Dokumentarfilm, WDR 2008, Sendungswiederholung 2013.
  12. Helmuth Poll: Der Edisonzähler. Deutsches Museum München, 1995, ISBN 3-924183-30-9, S 30–45.
  13.  Tom McNichol: AC/DC: the savage tale of the first standards war. John Wiley and Sons, 2006, ISBN 978-0-7879-8267-6.
  14. Pearl Street Station. IEEE Global History Network, 2012, abgerufen am 29. Dezember 2013 (englisch).
  15. National Historic Mechanical Engineering Landmarks: Edison “Jumbo” Engine-Driven Dynamo and Marine-Type Triple Expansion Engine-Driven Dynamo. ASME, 1980, abgerufen am 29. Dezember 2013.
  16. Borns: Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren. In: Elektrotechnische Zeitung. Nr. 5, 1884, S. 77–78
  17.  Friedrich Uppenborn: History of Electric transformers. E. & F.N. Spon, London ; New York 1889, S. 35–41 (Online).
  18. Incandescent Lamp Proceedings. In: The Electrical World. Vol. XXII, No. 17, 5. August 1893, S. 94.
  19. Görges H. (Hrsg.): „50 Jahre Elektrotechnischer Verein“. Festschrift, Berlin, 1929.
  20. NN: „75 Jahre Brown Boweri“, Firmenschrift, Baden (Schweiz), 1961
  21. a b Siegel G: "Die öffentliche Elektrizitätsversorgung Deutschlands". 1917, doi:10.1007/BF02448194
  22. Klingenberg G: „Die Versorgung großer Städte mit el. Energie“. Elektrotechnische Zeitung 1914, SS. 81, 119, 149, 922 (Diskussion), 945 (Diskussion)
  23. a b v. Miller, O: „Die Ausnützung der Wasserkräfte“. 1925, doi:10.1007/BF01558633
  24. a b c VDEW: „Verzeichnis der deutschen Elektrizitätswerke“. Berlin, 1925 und 1928.
  25. NN: „80 Jahre Kreiswerke Gelnhausen“. Firmenschrift, Kreiswerke Gelnhausen GmBH (heute Kreiswerke Main-Kinzig)
  26. Wagner, Wolfgang: „Die Burgmühle erzeugte den ersten Strom“, Online-Ressource Die Burgmühle erzeugte den ersten Strom (Memento vom 11. Februar 2013 im Webarchiv Archive.today), gesichtet 12. Mai 2012
  27. NN: „Preußenelektra 1927–1952“. Denkschrift, Preußische Elektrizitäts-AG, Hannover, 1952, S. 25–29
  28. FDR: The New Deal Years, 1933–1937, pages 491–92, by Kenneth S. Davis. Published by Random House, 1986
  29. Neidhöfer, G.: "Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom". Monogr., ISBN 3-8007-2779-X
  30. Kline, R: "Science and Engineering Theory in the Invention and Development of the Induction Motor, 1880-1900". Technology and Culture, Bd. 28, H. 2, S. 283-313, http://www.jstor.org/stable/3105568
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