Elektrifizierung
Als Elektrifizierung (in der Schweiz auch Elektrifikation), veraltet auch Elektrisierung, wird allgemein die Bereitstellung der Infrastruktur in Form von Stromnetzen zur Versorgung einer Region oder eines Landes mit elektrischer Energie bezeichnet. Sie begann in Folge der industriellen Revolution in den 1880er Jahren 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 dem verschiedene Primärenergiequellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Im industriellen Bereich ermöglichte die Elektrifizierung die Ablösung von räumlich beschränkten und mechanisch aufwändigen Energieverteilungssystemen wie der Transmissionswelle.
Geschichtliche Entwicklungen
Elektrische Beleuchtung
Die Elektrifizierung wurde hauptsächlich initiiert durch das Aufkommen der elektrischen Beleuchtung 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 verschiedene 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.[2]
Die zunächst eingesetzten Kohlebogenlampen oder jablotschkowschen Kerzen[3] 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 Kohlenfadenlampe mit vergleichsweise dickem und leicht zu produzierendem Faden, welcher aber nur an geringen Spannungen betrieben werden konnte.[4] Thomas Alva Edison entwickelte 1879 eine Kohlenfadenlampe mit schwieriger herzustellendem, dünnem Kohlenfaden für eine Betriebsspannung um die 100 Volt, die 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 anwenden konnte.[5]
Allerdings war die Kohlenfadenlampe anfangs gegenüber der Gasbeleuchtung, insbesondere dem von Carl Auer von Welsbach verbesserten Gaslicht, preislich noch wenig konkurrenzfähig. Erst im Lauf 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, eine längere Lebensdauer und bei gleicher Helligkeit ein Absenken des Energieverbrauchs.[6] Die Glühlampe verdrängte innerhalb kurzer Zeit die Gasbeleuchtung.[7] Die heute noch gebräuchlichen Drehschalter sind den Drehventilen der damaligen Gasbeleuchtung nachempfunden.
Elektrische Antriebe
Neben der elektrischen Beleuchtung und Elektrowärme hatten elektrische Antriebe von Beginn der Elektrifizierung eine große Bedeutung. Werner Siemens ließ im Jahr 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.[8]
Die kompakten Elektromotoren verdrängten in Fabrikanlagen 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.[9] Industriebetriebe schufen oft ihre eigenen Kraftwerke, beispielsweise Märkisches Elektrizitätswerk,[10] 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.[11][12]
Stromnetze
Die ersten Anwendungen der Elektrizität, bspw. in der Galvanisierungstechnik oder zu Beleuchtungszwecken erfolgte in einfachen Netzen, die den Erzeuger direkt mit dem Verbraucher koppelten. Es kamen sowohl Gleich- wie auch Wechselspannungserzeuger zum Einsatz, letztere bspw. bei der Beleuchtung mit Lichtbogenlampen oder in Leuchttürmen. Der Vorteil der elektrischen Energieversorgung ist jedoch die einfache Möglichkeit der Energieverteilung durch elektrische Netze, mit deren Hilfe überschüssige Energie an Interessenten abgegeben werden kann, oder für einen störungsfreien Betrieb mehrerer Erzeuger zu einem Verbund zusammengeschaltet werden können. Grundsätzlich werden zwei Arten von Stromnetzen unterschieden, Gleich- und Wechselspannungsnetze. Letztere setzten sich aufgrund der höheren Komplexität langsamer durch, haben aber heute die größere Bedeutung.
Gleichspannungsnetze
In der Anfangszeit der elektrischen Energietechnik um die Jahre 1880 bis 1900 waren kleinere, lokale 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 standen noch keine praktikablen Wechselstrommotoren zur Verfügung. 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, standen damals noch nicht zur Verfügung.
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.[13][14] Erste Stromnetze von Edison, wie die Pearl Street Station und das in nebenstehendem Schaltungsschema vereinfacht dargestellte, sahen in jedem Stadtviertel ein kleines Kraftwerk vor und bestanden aus Gleichstromgeneratoren, in der Skizze mit G1 und G2 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.[15][16]
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. Ein damals üblicher Verbraucher war die Kohlenfadenlampe, eine erste Bauform der Glühlampe. Kohlenfadenlampen wurden mit Spannungen um die 100 V betrieben und zwischen Erde und einem 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, beispielsweise von Werkzeugmaschinen. Gleichstrommotoren wurden aufgrund der höheren Leistung im Vergleich zu Glühlampen auf eine höhere Spannung von 220 V ausgelegt und zwischen den beiden Außenleitern angeschlossen. Dadurch konnten die Querschnitte der Kabel in vertretbarem Rahmen gehalten werden, um den Spannungsverlust entlang 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 Spannung für den Betrieb von leistungsschwachen Geräten wie Beleuchtung und eine hohe Spannung für Geräte mit hohem 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 hat in den heutigen vermaschten Stromnetzen wie dem Verbundnetz keine Bedeutung, da durch die Verfügbarkeit von leistungsfähigen Gleichrichtern Verbraucher, die Gleichspannung benötigen – wie elektronische Geräte – die nötige Gleichspannung im Gerät erzeugen können. U-Bahnen, Straßen- und einige Vollbahnen fahren aus historischen Gründen heute noch mit Gleichstrom. In der Energieversorgung wird Gleichstrom bei Verbindungen zwischen zwei Punkten in Form der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) zum Transport der elektrischen Energie über weite Entfernungen oder bei Seekabeln eingesetzt, um Blindleistungsprobleme zu vermeiden oder um unterschiedliche Wechselspannungsnetze miteinander in Form der HGÜ-Kurzkupplung verbinden zu können.
Wechselspannungsnetze
Die Erzeugung elektrischer Wechselströme war zwar schon länger bekannt, wurde zu Beginn der Elektrifizierung aber nicht genutzt, da sich die ersten Erfinder bei der Elektrifizierung von New York auf Gleichspannung festgelegt hatten. Zudem waren wichtige Bauteile beim Einsatz von Wechselstrom, Transformatoren und Wechselspannungsmotor, noch nicht erfunden. Immerhin wurden einzelne Wechselspannungsanlagen zur Beleuchtung mit Bogenlampen eingesetzt.[17]
Den entscheidenden Durchbruch der Wechselspannungsnetze brachte die Verwendung von mehreren phasenverschobenen Wechselspannungsquellen zur Formung eines Mehrphasensystems, wie sie von unterschiedlichen Erfindern in den 80er Jahren des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden.[18] Namentlich Tesla mit seinem ursprünglich zwei um 90° verschobenen Phasen, die durch allgemein gehaltene Patente auch 3-phasige Systeme, insbesondere Drehstromsysteme beinhaltete, ist hier hervorzuheben. Der Begriff „Drehstrom“ geht aber nach S. Kalischer auf Dolivo-Dobrowolsky zurück.[18] Dieser war demnach auch federführend bei der Verbreitung der Drehstromtechnik in Deutschland.
Die Verbreitung der Wechselspannungstechnik wurde u. a. durch Patente und Vorschriften behindert. Patentrechtlich beschränkten die Hersteller damals häufig das Benutzungsrecht verkaufter Glühlampen auf die lizenzierten 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.[19] So konnte der Unternehmer George Westinghouse im Gegensatz zu Edison seinen Kunden keine komplette Lösung inklusive Stromversorgung anbieten, da er keine Patentrechte für die Produktion von Glühlampen besaß. Post- und Bahngesellschaften fürchteten um ihre bestehende Infrastruktur, sodass Betreibern elektrischer Leitungen erhebliche Auflagen in Form von Vorschriften gemacht wurden.[20]
Entwicklung des Transformators
Erste Arbeiten zu Transformatoren in den ersten Stromnetzen von Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs stammen vom 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.[21]
Allerdings war bei dem Transformator nach Gaulard und Gibbs eine starke Lastabhängigkeit gegeben, denn durch das Zu- und Wegschalten einzelner Glühlampen kam es durch die in Reihe geschalteten Primärwindungen der Lufttransformatoren sowie den hohen Streufluss und die nur geringe magnetische 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 waren.[22] Zur Minderung dieses Störeffektes wurde eine Steuerung in Form eines magnetischen Stabes im Zentrum des Transformators vorgesehen, der bei Spannungsschwankungen etwas herausgezogen oder in den Aufbau hinein geschoben werden konnte.
Eine Verbesserung dieser ersten Transformatoren gelang erst 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 wurde. Durch den Transformator konnten höhere elektrische Spannungen erreicht werden, und damit konnte die elektrische Leistung mit vergleichsweise geringen Übertragungsverlusten auch über größere Strecken transportiert werden. Dieses grundlegende Prinzip wird heute in der elektrischen Energietechnik angewendet.
Entwicklung des Wechselstrommotors
Die Erzeugung von Wechselspannung mit Wechselspannungsgeneratoren war schon länger bekannt und in Form der Alliance-Maschine[23] zur Marktreife gebracht. Die Umkehr des ihr zugrunde liegenden Induktor-Prinzips gelang jedoch nicht zufriedenstellend.[18] Die ersten Motoren konnten nur im Synchronismus nennenswerte Energie abgeben und mussten in diesen Zustand durch äußere Kräfte (beispielsweise einen Gleichstrommotor) gebracht werden.[24]
Durch das Einfügen eines Kommutators und einer Feldspule konnte Károly Zipernowsky den von Gleichstrommaschinen abgeleiteten einphasigen Wechselstrommotor entwickeln.[18] Dieser erlangte als Reihenschlussmotor oder Allstrommotor große Verbreitung. Durch den Kommutator und die hohen Eisenverluste hatten diese Motoren aber einige Nachteile, die unter anderem dazu führten, solche Motoren bei niedrigen Netzfrequenzen zu betreiben (siehe Bahnstrom). Auch in diversen Haushaltsgeräten finden Allstrommotoren Anwendung.
Den Durchbruch brachte die Einführung von Mehrphasenstrom, insbesondere des 3-phasigen Drehstroms. Gleich mehrere Erfinder (unter anderem Tesla, Doliwo-Dobrowolsky oder Haselwander) fanden nahezu zeitgleich um 1890 herum verschiedene Anordnungen, die sich als Drehstromgenerator oder -Motor nutzen ließen.
Öffentlichkeitsarbeit zur Verbreitung der Elektrizität
In der Zeit von 1881 bis 1891 wurden die neuesten elektrotechnischen Errungenschaften regelmäßig in Form internationaler 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 über 176 Kilometer 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 in kleinräumigen Ausmaß realisiert wurde.[6] Die neun Jahre zuvor im Jahr 1882 in Betrieb genommene Gleichstromfernübertragung Miesbach–München über 57 Kilometer wies im Vergleich dazu eine Übertragungsleistung von rund 1 kW auf.
Instituts-, Verbands- und Firmengründungen
Neben der Technik musste auch das Wissen über die Elektrizität verbreitet werden, und Normierungen mussten vereinbart werden. In Deutschland wurde 1879 der Elektrotechnische Verein e.V. gegründet, ein Vorläufer des VDE,[25] 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,[26] Schuckert & Co. 1893, Siemens Werke 1897. Vor dem Ersten Weltkrieg nahm die deutsche Elektroindustrie mit einem Anteil von ca. 50 % an der Weltproduktion die Führungsposition ein.[27]
In der Medizin wurde die Elektrizität schon länger eingesetzt, nicht zuletzt waren die Entdeckungen von Luigi Galvani auf deren Verwendung zurückzuführen. Auch die negativen oder schädlichen Effekte wurden untersucht; in Wien wurde 1929 ein Lehrstuhl für Elektropathologie eingerichtet, den Stefan Jellinek innehatte,[28] der seit 1899 Studien zu Elektrounfällen und deren Verhütung anstellte.
Zeitliche Entwicklung und Netzausbau
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.[29] Die Versorgung erfolgte durch eine steigende Zahl von Blockstationen, die Verbraucher im Umkreis von ca. 800 m Umkreis versorgten.[30] Anderenortes übernahmen Industrieunternehmen wie Zechen die Stromversorgung, indem sie benachbarte Kommunen oder Interessenten mitversorgten.[31] Die frühen Kraftwerke hatten anfangs starke Ausnutzungsprobleme und ein sehr wenig ausgeglichenes Lastprofil:[32] 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 ließen. 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 allein 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.[33]
So wuchs die Zahl der Kraftwerke bis 1913 sprunghaft, wie die folgende Tabelle anhand der installierten Leistung zeigt:[34][29][35][36][37]
| 1891[34] | 1895 | 1900 | 1906 | 1913 | 1925[35] | 1928[35] | 1948[36] | 1956[36] | 2000[37] | 2016[37] | |
| Anzahl der Werke | 9 | 148 | 652 | 1338 | 4040 | 3372 | 4225 | -- | -- | -- | -- |
| Leistungsfähigkeit [MW] | 11,6 | 40 | 230 | 720 | 2.100 | 5.683 | 7.894 | 6.175 | 18.900 | 121.296 | 215.990 |
| Durchschn. Leistung pro Werk [MW] | 0,27 | 0,35 | 0,54 | 0,52 | 1,69 | 1,87 | -- | 4,5 | -- | -- |
Durch den Einsatz größerer Einheiten sank die Anzahl der Werke, während die installierte Leistung weiter stieg. Kriegsbedingt war die installierte Leistung im Jahre 1948 geringer als 1928. Die Verdopplung der installierten Leistung zwischen den Jahren 2000 und 2016 ist auf die Ausbreitung der regenerativen Energieerzeugung zurückzuführen. Allerdings ist die installierte Leistung bei den regenerativen Energieerzeugern nicht kontinuierlich abrufbar, was sich in der Statistik der Volllaststunden niederschlägt, die für Kernkraftwerke bei ca. 7000 h/a liegt, bei Photovoltaik bei 914 h/a.[37]
Die Vorteile der elektrischen Energie führten in den 1920er Jahren zu einer explosionsartigen Ausbreitung auch in ländliche Gebiete,[12][10][38] die teilweise generalstabsmäßig vorangetrieben wurde,[33] zum Beispiel in Bayern durch Oskar von Miller. Die Elektrifizierung wurde oft durch Privatunternehmen wie Mühlen, Brennereien und Sägewerke,[31] aber auch „Electricitätsämter“[39] und vor allem im ländlichen Raum auch durch Genossenschaften oder gar Stiftungen realisiert,[40] die teilweise auch die Erschließung der Gas- und Wasserversorgung übernahmen.[11][7][9] So entstand beispielsweise die PreussenElektra, im Jahr 1927 aus dem Zusammenschluss der preußischen Elektrizitätsämter und Beteiligungen des preußischen Staates sowie einiger Stadtwerke.[41] Die PreussenElektra legte im Jahre 1931 ein spezielles Kredit- und Mietsystem „Elthilfe“ auf, um den Erwerb elektrischer Geräte zu erleichtern und somit den Stromabsatz zu erhöhen.[42]
In den USA wurde die Elektrifizierung ländlicher Räume erst in den 1930er Jahren im Rahmen des „New Deal“ in Form von Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen durchgeführt, da im Jahr 1934 nur 11 % aller US-Farmen einen Stromanschluss hatten, während in den Ländern Europas wie Frankreich und Deutschland zur gleichen Zeit bereits an die 90 % aller Bauernhöfe elektrifiziert waren.[43] In der Sowjetunion war mit dem 1920 verabschiedeten GOELRO-Plan der Ausbau der Stromnetze 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.[7][9] 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
Nach dem Stromkrieg gab es bis in die 1950er-Jahre verbreitet und je nach Region verschiedene Gleichstrom- und Wechselstromnetze, die mit unterschiedlichen Spannungen und verschiedenen Netzfrequenzen arbeiteten. Die Gleichstromversorgung wurde in Frankfurt am Main erst 1959 endgültig eingestellt und durch Wechselstrom ersetzt.[2] 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.[44][45]
Die Verschiedenheit der Stromversorgungssysteme 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 den 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
Die Verwendung von Wechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hz in den europäischen Ländern soll auf Emil Rathenau, Gründer der AEG, zurückgehen.[46] 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“,[47] wobei 100 Wechsel oder Nulldurchgänge in der Sekunde einer Frequenz von 50 Hz entsprechen. Allerdings waren 50 Hz auch schon bei den ersten kommerziellen Wechselstromerzeugern üblich, den Alliance-Maschinen, einer speziellen Form des Induktors.[17] 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.[2] 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:[48]
| Frequenz (Hz) | Region |
|---|---|
| 25 | In Teilen von: Frankreich, Deutschland, Schweden, UK |
| 40 | In Teilen von: Belgien, Schweiz, UK |
| 42 | In Teilen von: Tschechoslowakei, 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.[49][50] 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.[3]
Wie die Länderübersicht zu Netzfrequenzen und -spannungen zeigt, sind heute nur in wenigen Gebieten weder die nach US-amerikanischem, noch die nach westeuropäischem Einfluss entweder 60 Hz oder 50 Hz als Netzfrequenz üblich. Im arabischen Raum wird beispielsweise in Saudi-Arabien eine Netzfrequenz von 60 Hz, in benachbarten Golfanrainerstaaten wie den Vereinigten Arabischen Emiraten und Katar hingegen eine Netzfrequenz von 50 Hz verwendet. Im Stromnetz in Japan sind in verschiedenen Landesteilen 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.[49] Die Frequenz von 50 Hz hat die größte globale Verbreitung.
Netzspannung
Die Netzspannung im 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-Dreileiternetzes mit Mittelpunktanzapfung. Die Wahl von 110 V war durch Edisons Kohlefaden-Glühlampen motiviert, die für 100 V ausgelegt waren, und für die man eine Reserve für den Spannungsabfall auf den Leitungen benötigte.
Im europäischen Raum wurde die Spannung im Niederspannungsnetz auf 220 V verdoppelt, um die Verluste zu minimieren. Allerdings gab es in Deutschland, besonders in ländlichen Gegenden, noch bis in die sechziger Jahre hinein einzelne Netze mit 110 V.[51][52] 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 bis 240 V zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter blieb bei dem Sollwert von 220 V bis 240 V, ab 1985 wurden diese leicht unterschiedlichen Spannungen auf 230 V harmonisiert, die Spannung zwischen zwei Außenleitern beträgt die 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 wird, historisch bedingt oft noch diverse Spannungsebenen. Die Vereinheitlichung ist neben der Normung durch die hohen Zusatzkosten getrieben, die eine Sonderspannung mit sich bringen würde.[53]
Elektrifizierung heute
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 ländlichen 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 Solarenergie, kombiniert mit Dieselgeneratoren oder Solarbatterien, häufig auch alten Kfz-Batterien.
Elektrifizierung von Bahnstrecken
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Elektrifizierung nennt man speziell die Ausrüstung einer Eisenbahnstrecke mit Oberleitung oder Stromschiene zur Stromversorgung, sodass anstelle von Dampf- oder Dieseltriebfahrzeugen elektrische Triebfahrzeuge mit Stromzuführung von außen zum Einsatz kommen können.
Bei Bahnstromsystemen, bei denen eine separate Versorgung mit Bahnstrom vonnöten ist, müssen Bahnkraftwerke, Unterwerke oder Umformerwerke errichtet werden.
Historische Entwicklung
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.
Ende 2017 waren rund 60 Prozent des Netzes der Deutschen Bahn elektrifiziert. Ein Elektrifizierungsgrad von 70 Prozent wird nach Angaben der deutschen Bundesregierung angestrebt.[54]
Literatur
- Viktoria Arnold (Hrsg.): Als das Licht kam. Erinnerungen an die Elektrifizierung (= Damit es nicht verlorengeht. Band 11). 2. Auflage. Böhlau, Wien 1994, ISBN 3-205-06161-6.
- Florian Blumer-Onofn: Die Elektrifizierung des dörflichen Alltags (= Quellen und Forschungen zur Geschichte und Landeskunde des Kantons Baselland. Band 47). Verlag des Kantons Basel-Landschaft, Liestal 1994, ISBN 3-85673-235-7 (Dissertation Universität Basel 1993, 512 Seiten).
- Kurt Jäger, Georg Dettmar, Karl Humburg (Hrsg.): Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland. Teil 1: Die Anfänge bis etwa 1890. 2. Auflage. VDE, Berlin 1940 (Reprint: 1989, ISBN 3-8007-1568-6).
- Kurt Jäger, Georg Dettmar, Karl Humburg (Hrsg.): Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland. Teil 2: Von 1890 bis 1920. 2. Auflage. VDE, Berlin 1940 (Reprint: 1989, ISBN 3-8007-1699-2).
- 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 (englisch).
- 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
- Geschichte der Elektrifizierung. In: leifiphysik.de.
- The Alliance for Rural Electrification (ARE). In: ruralelec.org.
- railways through europe — network maps and interoperabilty. In: bueker.net. (Karten elektrifizierter Bahnstrecken in Europa).
Einzelnachweise
- In: die Woche, Jahrg. 21, Heft 1/1919, S. 33.
- G. Dettmar, K. Humburg: Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland. Teil 2: Von 1890 bis 1920 (= Geschichte der Elektrotechnik, 9), vde-Verlag, 1991, ISBN 3-8007-1699-2.
- The Jablochkoff Candle. Online-Ausstellung über Bogenlampen des IET's (englisch) (Memento des Originals vom 7. September 2008 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., The Institution of Engineering and Technology, England
- American History über Joseph Wilson Swan
- T. P. Hughes: The Electrification of America: The System Builders. In: Technology and Culture, Vol. 20, Heft 1/1979, S. 124–161.
- A. Riedler: Emil Rathenau und das Werden der Großwirtschaft. Berlin 1916. (Online auf archive.org)
- W. Zängl: Deutschlands Strom: die Politik der Elektrifizierung von 1866 bis heute. Dissertation. Campus-Verlag, 1989, ISBN 3-593-34063-1.
- K. Wilkens: Die Berliner Elektricitäts-Werke zu Beginn des Jahres 1907. In: Elektrotechnische Zeitung, 28(1907), H. 40, S. 959–963.
- H. Baedecker: Leitbild und Netzwerk – Techniksoziologische Überlegungen zur Entwicklung des Stromverbundsystems. Dissertation. Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen 2002.
- Das Märkische Elektrizitätswerk. In: Stadtwerke Journal, Stadtwerke Eberswalde, 2, 2006, S. 4/5.
- Leyser: Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft Deutschlands. 1913, doi:10.1007/BF01494961
- Gabriele Jacobi: Teufelszeug – Wie der Strom in die Eifel kam. (Memento vom 29. November 2013 im Internet Archive) Dokumentarfilm, WDR 2008, Sendungswiederholung 2013.
- Helmuth Poll: Der Edisonzähler. Deutsches Museum München, 1995, ISBN 3-924183-30-9, S. 30–45.
- Tom McNichol: AC/DC: the savage tale of the first standards war. John Wiley and Sons, 2006, ISBN 0-7879-8267-9, S. 80.
- Pearl Street Station. IEEE Global History Network, 2012, abgerufen am 29. Dezember 2013 (englisch).
- National Historic Mechanical Engineering Landmarks: Edison “Jumbo” Engine-Driven Dynamo and Marine-Type Triple Expansion Engine-Driven Dynamo. (Nicht mehr online verfügbar.) ASME, 1980, archiviert vom Original am 30. Dezember 2013; abgerufen am 29. Dezember 2013. Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
- F. Niethammer: Ein- und Mehrphasen-Wechselstromerzeuger, Handbuch der Elektrotechnik Bd. 4, Leipzig 1900
- S. Kalischer, Ueber Drehstrom und seine Entwickelung, Naturwissenschaftliche Rundschau, Jahrg. 7, No. 25, S. 309–317, 1892.
- Incandescent Lamp Proceedings. In: The Electrical World, Vol. XXII, No. 17, 5. August 1893, S. 94.
- O. v. Miller: Die geschichtliche Entwicklung der Elektrotechnik, Vortrag, gehalten im Elektrotechnischen Verein Frankfurt am 22. April 1906
- Borns: Beleuchtung mittels sekundärer Generatoren. In: Elektrotechnische Zeitung, Nr. 5, 1884, S. 77/78.
- Friedrich Uppenborn: History of Electric transformers. E. & F.N. Spon, London/ New York 1889, S. 35–41 (online).
- Alliance-Maschine. In: Sammlung: Energie & Bergbau, Technisches Museum Wien. Auf TechnischesMuseum.at, abgerufen am 20. September 2019.
- Dieses Problem kann man sich vergegenwärtigen, indem man einen Fahrraddynamo mit Wechselspannung speist: Ohne einen äußeren Anstoß heben sich Mit- und Gegenfeld auf und es ist bestenfalls ein Brummton zu hören. Je nach Güte des Dynamos läuft es nach einem Anstoß noch eine Weile in die Richtung des Anstosses weiter, bleibt aber bei Belastung sofort stehen.
- H. Görges (Hrsg.): 50 Jahre Elektrotechnischer Verein. Festschrift, Berlin 1929.
- 75 Jahre Brown Boweri. Firmenschrift, Baden (Schweiz) 1961.
- Neue Wege der Elektrizitätswirtschaft, In: Technik und Wirtschaft (Beilage zur „Gewerkschaft“), Jahrg. 1, Heft 5, S. 33–38, 1925
- A. Westhoff: Ein Arzt gegen den Strom, Sendung der Reihe Zeitzeichen zum 150. Geburtstag des Mediziners Stefan Jellinek, Deutschlandfunk, 25. Mai 2021
- G. Siegel: Die öffentliche Elektrizitätsversorgung Deutschlands. In: Arnold Berliner, August Pütter (Hrsg.): Die Naturwissenschaften. 19. Oktober 1917, Heft 42, doi:10.1007/BF02448194. Auf Springer.com (PDF; 233 kB), abgerufen am 3. November 2019.
- G. Kemmann: Die Berliner Elektrizitätswerke bis Ende 1896, Springer, 1897. Digitalisat bei der TU Berlin.
- Theo Horstmann: Überlieferungen zur Geschichte der Elektrifizierung in Westfalen in öffentlichen und privaten Archiven. In: Archivpflege in Westfalen und Lippe. Oktober 1992, Heft 36, S. 17–28, ISSN 0171-4058. Auf LWL-Archivamt.de (PDF; 7,8 MB), abgerufen am 3. November 2019.
- G. Klingenberg: Die Versorgung großer Städte mit el. Energie. In: Elektrotechnische Zeitung, 1914, S. 81, 119, 149, 922 (Diskussion), 945 (Diskussion).
- Oskar von Miller: Die Ausnützung der Wasserkräfte. 1925, doi:10.1007/BF01558633.
- H. Passavant: Die Entwicklung der deutschen Elektrizitätswerke seit 1891. In: S. Ruppel: Elektrotechnische Gesellschaft, Frankfurt a. M. 1881–1931. Frankfurt/Main 1931.
- VDEW: Verzeichnis der deutschen Elektrizitätswerke. Berlin 1925 und 1928.
- K. Schröder: Kraftwerksatlas. 1959, doi:10.1007/978-3-642-52090-7.
- BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.: Kraftwerkspark in Deutschland. 27. April 2018, Berlin 2018.
- 80 Jahre Kreiswerke Gelnhausen. Firmenschrift. Kreiswerke Gelnhausen (heute Kreiswerke Main-Kinzig).
- Mitglied des Aufsichtsrats. In: Adressbuch der Direktoren und Aufsichtsräte. 1921, Zitat S. 1277: „Electricitätsamt Münster“; „Electricitätswerk Westfalen“. Auf Books.Google.de, abgerufen am 4. November 2020.
- Wolfgang Wagner: Die Burgmühle erzeugte den ersten Strom. (Memento vom 11. Februar 2013 im Webarchiv archive.today);
siehe auch Seite der Gemeinde Polle. - Preußenelektra 1927–1952. Denkschrift, Preußische Elektrizitäts-AG, Hannover 1952, S. 25–29.
- Bericht über das Geschäftsjahr 1931. Preussische Elektrizitäts-Aktiengesellschaft, Preußische Druckerei- und Verlags-A.-G. Berlin 1932, S. 6
- Kenneth S. Davis: FDR: The New Deal Years, 1933–1937. Random House, 1986, S. 491–492.
- G. Neidhöfer: Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom. VDE-Verlag, 2004, ISBN 3-8007-2779-X.
- R. Kline: Science and Engineering Theory in the Invention and Development of the Induction Motor, 1880–1900. In: Technology and Culture, Band 28, H. 2, S. 283–313, JSTOR 3105568
- G. Niedhöfer: Der Weg zur Normfrequenz 50 Hz. In: Bulletin SEV/AES, 17, 2008, S. 29–34; (online bei VDE (Memento des Originals vom 16. November 2011 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.; PDF; 1,8 MB).
- C. Arldt: Elektrische Kraftübertragung und Kraftverteilung. Berlin 1901, doi:10.1007/978-3-642-91359-4
- H. T. Kohlhaas (Hrsg.): Reference Data for Radio Engineers. 2. Auflage, Federal Telephone and Radio Corporation, New York 1946.
- E. L. Owen: The origins of 60-Hz as a power frequency. 1997. doi:10.1109/2943.628099
- B. G. Lamme: The technical Story of the Frequencies. In: AIEE-Trans. 37(1918), S. 65–89. doi:10.1109/T-AIEE.1918.4765522
- wer-weiss-was.de
- gebruedereirich.de
- DKE: DIN EN 50110-1. Betrieb von elektrischen Anlagen; VDE-Verlag, Berlin 2005.
- Deutscher Bundestag (Hrsg.): Antwort der Bundesregierung auf die Kleine Anfrage der Abgeordneten Matthias Gastel, Stefan Gelbhaar, Stephan Kühn (Dresden), Daniela Wagner und der Fraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN – Drucksache 19/14919 –. Erhöhung des Elektrifizierungsgrads im deutschen Eisenbahnnetz. Band 19, Nr. 16019, 17. Dezember 2019, ISSN 0722-8333, S. 1, 7. BT-Drs. 19/16019
