Elektrifizierung

mini|Elektrische Kohlebogenlampen auf der Weltausstellung Paris 1878

Als Elektrifizierung (in der Schweiz auch Elektrifikation), veraltet auch ElektrisierungNach einem Gutachten der Gesellschaft für Deutsche Sprache von 1955 – erstellt wohl für die Deutsche Bundesbahn – ist „Elektrifizierung“ der zutreffende Ausdruck, da es bedeutet, etwas für den elektrischen Betrieb einzurichten. „Elektrisierung“ dagegen bedeute, etwas der Einwirkung von Elektrizität auszusetzen (Bundesbahndirektion Mainz (Hrsg.): Amtsblatt der Bundesbahndirektion Mainz vom 26. August 1955, Nr. 35. Bekanntmachung Nr. 493, S. 223.)., wird allgemein die Bereitstellung der Infrastruktur in Form von Stromnetzen zur Versorgung einer Region oder eines Landes mit elektrischer Energie bezeichnet. Sie begann infolge 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

Der Aufbau einer Elektrizitätsversorgung in Großstädten begann in Europa und den USA Ende des 19. Jahrhunderts und damit etwa 50 Jahre später als die Gasversorgung, die bereits Anfang des 19. Jahrhunderts zur Beleuchtung von Großstädten beitrug.

Elektrische Beleuchtung Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von Elektrizität war zunächst die Beleuchtung. 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 in der Straßenbeleuchtung fand elektrisches Licht Anwendung.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.

Die zunächst eingesetzten Kohlebogenlampen oder jablotschkowschen KerzenIET: (englisch) 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.American History über Joseph Wilson Swan

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.T. P. Hughes: The Electrification of America: The System Builders. In: Technology and Culture, Vol. 20, Heft 1/1979, S. 124–161.

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.A. Riedler: Emil Rathenau und das Werden der Großwirtschaft. Berlin 1916. (Online auf archive.org) Die Glühlampe verdrängte innerhalb kurzer Zeit die Gasbeleuchtung.W. Zängl: Deutschlands Strom: die Politik der Elektrifizierung von 1866 bis heute. Dissertation. Campus-Verlag, 1989, ISBN 3-593-34063-1. Die heute noch gebräuchlichen Drehschalter sind den Drehventilen der damaligen Gasbeleuchtung nachempfunden.

Elektrische Antriebe mini|Zweiphasen-Synchronmotor, Baujahr 1893 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.K. Wilkens: Die Berliner Elektricitäts-Werke zu Beginn des Jahres 1907. In: Elektrotechnische Zeitung, 28(1907), H. 40, S. 959–963.

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.H. Baedecker: Leitbild und Netzwerk – Techniksoziologische Überlegungen zur Entwicklung des Stromverbundsystems. Dissertation. Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen 2002. Industriebetriebe schufen oft ihre eigenen Kraftwerke, beispielsweise Märkisches Elektrizitätswerk,Das Märkische Elektrizitätswerk. In: Stadtwerke Journal, Stadtwerke Eberswalde, 2, 2006, S. 4/5. 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.Leyser: Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft Deutschlands. 1913, doi:10.1007/BF01494961Gabriele Jacobi: Dokumentarfilm, WDR 2008, Sendungswiederholung 2013.

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.

Gleichspannungsnetze mini|Schaltungsschema von Edisons Dreileitersystem für Gleichspannung mini|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. 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.

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 zur 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