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Elektrische Energie

Jährlich schicken die Kraftwerke in der Welt etwa 50 EJ bzw. etwa 14 Billiarden kWh an die Verbraucher. Der Verbrauch von Primärenergie ist mit rund 400 EJ wesentlich größer. 2020 entfallen vom deutschen Primärenergie-Verbrauch von 112 kWh pro Person und Tag etwa 17 kWh pro Person und Tag auf Elektroenergie. Diese kommt aber nicht vorwiegend aus der Steckdose zu Hause. Den größten Teil davon verbrauchen Industrie und Dienstleister.

Zwischen Kraftwerk und Steckdose gibt es Leitungsstrecken mit unterschiedliche Spannungen (Hochspannungs-Oberleitungen im Bild links) und dazwischen die erforderlichen Umspanner (Transformatoren) wie im Bild rechts. In Europa geht es im Wechselstromnetz mit 50 Hz von 10 kV beim Erzeuger hoch bis auf 380 kV für Übertragung und runter auf 230 V bzw. 400 V für Verbraucher im Ein- bzw. Dreiphasen-Netz.

Die elektrische Spannung U hat die Maßeinheit Volt [V], die elektrische Stromstärke  die Einheit Ampere [A], der Widerstand R die Einheit Ohm [Ω]. Die Benennung der Maßeinheiten ehrt drei Wissenschaftler Alessandro Volta, Georg Simon Ohm und André-Marie Ampère.

Alessandro Graf von Volta
(1745 − 1827)
Georg Simon Ohm
(1789 − 1854)
André-Marie Ampère
(1775 − 1836)

Das Ohm'sche Gesetz, das eine Grundlage der Elektrizitätslehre darstellt, verbindet diese drei Größen:

Die in Watt [W] gemessene elektrische Leistung wird mit P bezeichnet. Sie ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke:

Die Verlustleistung ergibt sich mit Hilfe des Ohm'schen Gesetzes zu

Die elektrische Nutzleistung sollte möglichst groß gegenüber der Verlustleistung infolge des elektrischen Widerstands der Leitung sein. Die Verluste hängen nur von der Stromstärke, nicht aber von der Spannung ab, während die übertragene Nutzleistung einem Produkt von Spannung und Stromstärke entspricht. Hochspannungsleitungen reduzieren deshalb die Wärmeverluste bei der Stromübertragung. Bis 380 kV werden in Europa verwendet, andernorts (siehe Wikipedia) wurde schon 1 MV für Freileitungen überschritten. Die aus Aluminium als Leiter und einem Stahlkern als Träger bestehenden Kabel haben einen Durchmesser von weniger als 10 cm. Die Erwärmung der Hochspannungsleitungen durch den Ohm'schen Widerstand verursacht die stärksten Übertragungsverluste.

Bei Wechselstrom treten aber auch Verluste durch elektrische Kapazitäten auf. Für Freileitungen ist die Kapazität zwischen dem Leiter und dem einige Meter entfernten Erdboden (Gegenpotential) gering. Für Erd- oder Seekabeln sind die kapazitiven Verluste wegen der geringen Entfernung des Gegenpols aber relativ groß. Man kann sie durch eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung vermeiden, die für Spannungen bis 800 kV gebaut wurden. Stromrichter an beiden Anbindungen der Gleichspannungsleitung an die Leitungen im Wechselspannungsnetz erhöhen die Kosten. Gleichstrom-Übertragungsleitungen sind jedoch wirtschaftlich für eine Länge größer als 10 km bei Seekabeln oder größer als 1000 km bei Freileitungen.

Die Elektrizitätsversorgung stellt mit der Einbindung von Wind- und Sonnenenergie erhöhte Anforderungen an den Ausbau der Übertragungsnetze. Übertragungsnetzbetreiber wie TenneT stellen aktuelle Projekte vor. Alle Betreiber in Deutschland bieten im im Portal Netzentwicklungsplan die Planungen zum Ausbaus der Übertragungsnetze bis 2045 an.