Was Sie schon immer über Strom wissen wollten (1)

Von Horst-Joachim Lüdecke.

Der moderne Mensch braucht immer mehr Energie. Kostengünstige Energie und insbesondere preiswerte elektrische Energie sind die wichtigsten Aktivposten einer erfolgreichen Industrienation. Bei zu hohen Energiepreisen verliert ein Industrieland seine Konkurrenzfähigkeit und steigt wirtschaftlich ab. Elektrische Energie ist zumindest in Industrieländern zur weltweit wichtigsten Energieform geworden. 

Dies wird einem erst richtig bewusst, wenn elektrische Energie durch einen Blackout plötzlich fehlt. Während etwa Unterbrechungen der Benzinversorgung nur teure Hindernisse für den Verkehr, die Produktion und das Geschäftsleben sind, bricht dagegen bei einem Blackout plötzlich unsere gesamte technische Lebensgrundlage weg. Kassen und Kühlanlagen in Supermärkten, Licht, Telefon, Radio, Fernsehen, Handy, Bahn und Straßenbahn, [wenig später auch die Wasserversorgung, Anm. d. Red.] – kurz, alle mit Strom betriebene Technik ist nicht mehr nutzbar. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass nach wenigen Tagen Blackout die Supermärkte geplündert werden. Die Ordnungskräfte sind ohne Strom machtlos, nach mehr als einer Woche herrscht gefährliches Chaos. Notstromaggregate in Krankenhäusern haben, wenn überhaupt, nur für die gesetzlich vorgeschriebenen 24 Stunden Sprit. Schon bei Stromunterbrechung von einem Tag kann eine Fertigungsstrecke mit Flüssigmetall nur noch verschrottet werden, weil das geschmolzene Metall inzwischen abgekühlt ist und fest wurde. Für eine große Aluminium- oder Kupferhütte bedeutet dies unter Umständen den wirtschaftlichen Zusammenbruch.

Trotz des höchsten Stellenwertes von elektrischer Energie in Industrienationen ist ihr Anteil vergleichsweise klein im Vergleich mit allen anderen genutzten Energieformen wie im Wesentlichen von Wärme aus Verbrennung von Kohle, Gas und Erdöl. Weltweit machte Strom im Jahr 2024 je nach Datenquelle zwischen 12 und 17 Prozent der weltweit genutzten Energie aus, in Deutschland waren es genau 15 Prozent. Die weit vorwiegenden Energieträger sind sowohl weltweit als auch in Deutschland immer noch Kohle, Gas und Erdöl. Die hierzulande so propagierten Methoden der Windräder und Photovoltaik zur Stromerzeugung machen weltweit nur jeweils ein Prozent der Gesamtenergie aus und spielen praktisch keine Rolle. Auch der weltweite Anteil der Kernenergie von etwa 4,5 Prozent ist relativ klein. Die deutschen Zahlen für Wind und Sonne sind zwar etwas höher, aber ebenfalls unbedeutend. Wie kann das aber sein, denn die Medien nennen doch beeindruckend hohe Zahlen? Dieser Widerspruch wird hier später noch aufgeklärt. Seit Kurzem kam Künstliche Intelligenz in die Schlagzeilen, nicht zuletzt wegen ihres hohen Stromverbrauchs. Falls sich ihr prognostizierter Anstieg bewahrheiten sollte, ist in hochindustrialisierten Ländern mit einem spürbaren Anstieg der Stromerzeugung zu rechnen. 

Die teuersten Strompreise der Welt

Woher kommt eigentlich die von uns genutzte Energie? Energie kann schließlich weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie steckt in natürlichen Quellen und wird aus der Umwelt bezogen wie aus den fossilen Energiequellen Kohle, Erdöl, Erdgas sowie aus Uran, ferner aus Sonnenstrahlung, Wind, Wasserkraft und Biomasse. Die aus diesen Quellen insgesamt gewonnene Energie eines Landes ist seine Primärenergie. Endenergie sind die umgewandelten Energie-Träger wie Kraftstoffe, Heizöl, heißes Wasser als Fernwärme und so weiter. Nutzenergie ist das, was vom Verbraucher verwendet wird, hier insbesondere die elektrische Energie.

Die technischen und physikalischen Eigenschaften von elektrischer Energie, ihre Besonderheiten und die Gründe ihres höchsten Stellenwerts sind die Stationen der Vorlesung. So werden insbesondere die Vorteile von elektrischer Energie gegenüber anderen Energieformen behandelt. Weitere Stationen sind „Die Physik und Technik von elektrischer Energie in Erzeugung, Verbrauch und Speicherung“. Die deutsche Energiewende basiert im Wesentlichen auf den im großen Maßstab eingesetzten neuen Methoden der Windräder und Photovoltaik, die ausschließlich elektrische Energie erzeugen. Als Folge dieser neuen Energiepolitik hat Deutschland inzwischen weltweit die höchsten Strompreise. Daher behandelt die letzte Vorlesungs-Station „die Besonderheiten der Stromerzeugung und -nutzung in Deutschland.“ Es wird dort auch auf die folgende Kernfrage unserer Stromversorgung eingegangen, die allen technisch besser informierten gewissenhaften Zeitgenossen den Schlaf raubt: Wie weit können überhaupt unsere bisherigen Grundlastkraftwerke mit Kohle und Gas durch die neuen Methoden ersetzt werden? Ferner wird auf die Frage eingegangen, ob das komplette Umkrempeln unserer ehemals bestens funktionierenden Stromwirtschaft, das rücksichtslos gegen unsere überlebenswichtige energieintensive Industrie durchgezogen wird, überhaupt noch vernünftig ist und das Prinzip der Verhältnismäßigkeit einhält.   

Ihnen ist inzwischen vielleicht aufgefallen, dass sowohl von elektrischer Energie als auch von elektrischem Strom oder kurz Strom die Rede war, so dass vielleicht der Eindruck entstand, Strom sei mit elektrischer Energie identisch. Das ist aber nicht der Fall. Aber welche Bezeichnungen sind dann korrekt? Die physikalischen Begriffe der Elektrotechnik sind zwar eindeutig definiert und unverwechselbar, nur kümmert sich die Umgangssprache oft nicht darum. So sind zum Beispiel die Bezeichnungen Strommenge oder Stromverbrauch physikalisch unsinnig. Natürlich ist mit Strom fast immer die elektrische Energie gemeint. Weil „elektrische Energie“ aber zu sperrig ist, machen Umgangssprache und sogar Stadtwerke auf der Rechnung einfach Strom daraus. Man sollte hier nachsichtig sein. Die korrekte Ausdrucksweise wird in dieser Vorlesung eingehalten, wenn sie für das Verständnis wichtig ist. Ansonsten wird aber auch hier dem üblichen und nicht immer korrekten Sprachgebrauch gefolgt. Außerdem wissen Sie dann schon aus der Vorlesung, was gemeint ist.

Was ist elektrischer Strom?

Mit den bitte nicht zu verwechselnden physikalischen Größen Energie und Leistung soll der folgende kurze Überblick beginnen: „Leistung ist Energie pro Zeit“, umgekehrt wird daraus „Energie ist Leistung mal Zeit“. Dieser grundlegende Zusammenhang wird uns immer wieder begegnen. Was ist jetzt aber elektrischer Strom oder kurz Strom? Er ist eine Flussgröße und keine Energiegröße. Strom ist fließende elektrische Ladung, meist von negativ geladenen Elektronen durch einen Stromleiter. Der Elektronenfluss wird von einem elektrischen Potenzialunterschied angetrieben wie aus einer Batterie oder einem elektrischen Generator. Diese Bewegung von Elektronen kann nur in Stromleitern erfolgen, das sind vorwiegend geeignete Metalle, meistens Kupfer aber auch Silber, Gold und Aluminium, wobei Silber und Gold sogar noch besser als Kupfer leiten. In metallischen Stromleitern sind die äußeren Elektronen ihrer Atome relativ frei beweglich, so dass sie sich in Richtung eines elektrischen Potenzialgefälles bewegen können. 

Die Gravitation spielt beim Strom keine Rolle. Es ist daher auch keine zusätzliche Energie aufzuwenden, wenn eine elektrische Leitung ansteigt – im Gegensatz etwa zum Energieaufwand beim wiederholten Transport von Kohle von einem tiefgelegenen zu einem höhergelegenen Ort, den man dann als zusätzlichen Kostenfaktor ansehen könnte. Aber auch Wasser, das Chloride, Sulfate oder Carbonate enthält, leitet Strom. Sich in der Badewanne zu föhnen, ist daher keine gute Idee und könnte tödlich enden, selbst wenn die heute vorgeschriebenen Fehlerstrom-Schutzschalter gefährliche Stromschläge im Bad abwenden. Der Schutzschalter erkennt, wenn nicht aller verbrauchte Strom des Badezimmers über den Null-Leiter abfließt, weil ein Teil unzulässig über Erde, also hier über das Badewasser der Wanne abgeht. Er unterbricht dann sehr schnell in etwa 0,3 Sekunden die Stromzufuhr. 

Die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen in einem Stromleiter beträgt erstaunlicherweise nur wenige Millimeter pro Sekunde, auch bei höheren Stromstärken, weil dann auch entsprechend größere Leiterquerschnitte verwendet werden. Im Gegensatz zu den fast kriechenden Elektronen verbreiten sich aber Änderungen wie zum Beispiel das Absperren des Stroms oder ein elektromagnetischer Impuls mit bis zu 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/s im Stromleiter. Strom als fließende Elektronen erzeugt im Leiter stets ein wenig Reibungswärme, so dass es selbst bei günstigsten Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungen in Freileitungen zu Verlusten von etwa drei bis vier Prozent pro 1.000 Kilometer Länge kommt. Verlustfreie elektrische Leitfähigkeit als sogenannte Supraleitung gibt es zwar, aber nur in speziellen Metall-Legierungen bei ausreichender Kühlung. Der Rekord der Sprungtemperatur liegt heute – nur im Labor und leider noch nicht in der praktischen Anwendung – bei minus 23 Grad Celsius, wobei das hochkomplexe Leitermaterial auch noch unter extrem hohem Druck stehen musste. In der Praxis werden supraleitende Magnetspulen zum Beispiel im Teilchenbeschleuniger der Genfer Großforschungseinrichtung CERN eingesetzt, wobei bis minus 271 Grad Celsius mit superfluidem Helium gekühlt wird. Das sind nur zwei Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. 

Eine Frage der Einheit

Nun zu den physikalischen Einheiten, der uns hier interessierenden elektrischen Größen. In Deutschland ist seit 1960 das kohärente internationale Einheitensystem SI wie système international gültig. Für die Maßeinheiten werden die Namen maßgeblicher Entdecker von physikalischen Gesetzen genommen, der Anfangsbuchstabe ist dann die Kurzbezeichnung der Maßeinheit. So in der Elektrotechnik für den Strom das A für André Ampère, für die elektrische Spannung das V für Alessandro Volta, und für die elektrische Leistung das W für James Watt. Energie hat die Maßeinheit J für James Joule. Die Sekunde ist ein kleines s zur besseren Unterscheidung. 

Fangen wir mit Strom als Fluss von elektrischer Ladung an. Alle Flussgrößen sind Quotienten mit der Zeit im Nenner. Mit der Maßeinheit Coulomb für die elektrische Ladung ist Coulomb pro Sekunde die Maßeinheit von Stromstärke, das Ampere. Ein Coulomb enthält übrigens satte 6,2 Trillionen Elektronen-Ladungen, das ist eine Eins mit 18 folgenden Nullen. Die Maßeinheit der elektrischen Spannung ist das Volt. Die Leistung Joule durch Sekunde ist in der Elektrotechnik kürzer das identische Watt. Und weil Energie Leistung mal Zeit ist, wird die elektrische Energie zu Watt mal Sekunde oder kurz Wattsekunde, praktischer meist Kilowattstunde. Eine Wattsekunde ist identisch mit einem Joule. Kilowattstunden finden Sie auf Ihrer Stromrechnung. Man zahlt für die verbrauchte Menge elektrischer Energie und nicht oder höchstens nur einmal für die elektrische Leistung, die nur zur Verfügung steht. Beim Autokauf ist es ähnlich. Im Kaufpreis ist die Leistung des Motors enthalten. Nur für die verbrauchte Energie beim Fahren ist jedes Mal beim Tanken zu zahlen.  

Volt, Ampere und Watt sind durch den einfachen Zusammenhang Volt mal Ampere ist Watt miteinander verknüpft. Er kommt hier später immer mal wieder vor. Eine erste Begegnung mit diesem Zusammenhang wären vielleicht die dicken Kabel an der Autobatterie, wobei die Frage aufkommen könnte, warum diese Kabel bei mickrigen 12 Volt der Batterie so dick sind. Die Autobatterie muss aber nicht nur beim Starten des Anlassers ordentlich Leistung in Watt aufbringen. Das kann sie aber bei den wenigen 12 Volt wegen „Volt mal Ampere gleich Watt“ nur mit ausreichend viel Strom, und der braucht eben dicke Kabel.  

Noch weitere Eigenschaften von Strom sind interessant: Eine stromdurchflossene Leitung enthält praktisch keine Energie, und sei sie noch so groß wie vielleicht eine 600 Kilometer lange 380.000-Volt-Freileitung mit 700 Megawatt. Die elektrische Leistung eines Strom-Erzeugers und seine gelieferte Energie entsprechen ferner genau denen des Verbrauchers, von den geringen Wärmeverlusten der Stromleitung abgesehen. Um in großen Stromnetzen dieses Gleichgewicht von jetzt vielen Erzeugern und noch zahlreicheren Verbrauchern bei sich ändernden Verbrauchswerten einzuhalten, sind Erzeuger erforderlich, die sich problemlos den Verbrauchswerten anpassen können. Das war im ehemalig bestens funktionierenden Stromnetz Deutschlands bis etwa zum Ende des zwanzigsten Jahrhunderts auch der Fall. Mit der Energiewende und ihren jetzt bevorzugten Methoden der Stromerzeugung aus Wind und Sonne entstand dagegen eine bis jetzt ungelöste und hochbrisante Problematik bei der Aufrechterhaltung dieses unabdingbaren Gleichgewichts. Darauf wird in den nächsten Folgen noch im Detail eingegangen.

Dies ist der erste Teil eines Vortrages, der am 9. November 2025 bei Kontrafunk gesendet wurde.

Lesen Sie morgen: Das kleine Einmaleins des Stroms.

Prof. Dr. Horst-Joachim Lüdecke ist Physiker für Strömungsmechanik und pensionierter Professor für Physik, Informatik und Operations Research der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW). Er ist Co-Autor des technischen Standardwerkes „Strömungsberechnung für Rohrsysteme“. Bereits vor seinem Ruhestand begann er, sich der Klimaforschung und Energiepolitik zu widmen. Einer größeren Öffentlichkeit wurde er bekannt als Autor der populärwissenschaftlichen Bücher „CO2 und Klimaschutz. Fakten, Irrtümer, Politik (ClimateGate)“ und „Energie und Klima. Chancen, Risiken, Mythen“.

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