Was Sie schon immer über Strom wissen wollten (2)

Von Horst-Joachim Lüdecke.

Die Geschichte von Strom und Elektrizität begann im antiken Griechenland, als die elektrischen Eigenschaften von Bernstein durch Reibung entdeckt wurden. Die späteren Entdecker-Namen reichen, um nur wenige zu nennen, von William Gilbert über Benjamin Franklin, Alessandro Volta, André Ampere bis hin zu Nicola Tesla. Erst der schottische Physiker James Clerk Maxwell erreichte einen endgültigen physikalischen Abschluss mit seinen berühmten elektromagnetischen Feldgleichungen, die man später auf vier Grundgleichungen komprimierte. Die Maxwell-Gleichungen beschreiben vollständig alle Phänomene elektromagnetischer Felder in einem System von vier linearen partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung. Später kam als Ergänzung die davon unabhängige Lorentzkraft hinzu, die ein geladenes Teilchen in einem elektromagnetischen Feld erfährt. Diese Bewegung von geladenen Teilchen konnte erst nach Maxwell mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein genau beschrieben werden. 

Die Maxwell-Gleichungen sind nicht aus noch tieferen physikalischen Gesetzen herleitbar. Sie sind vielmehr die geniale Zusammenfassung aller vor Maxwell entdeckten physikalischen Gesetze von Elektrizität und Elektromagnetismus. Solch eine grundsätzlich nicht mehr zu verbessernde Zusammenstellung wird als ein physikalisches Grundsystem bezeichnet. Grundsysteme prägen unser Weltverständnis. In den Maxwell-Gleichungen ist der gesamte Elektromagnetismus sowie alles von Wellenausbreitung, über Antennen, elektrische Schaltkreise, bis hin zu Elektromotoren enthalten, einfach alles. Die Maxwell-Gleichungen sind unverändert auch ein wichtiger Baustein der modernsten physikalischen Feldtheorien wie der Quantenelektrodynamik. Ein physikalisches Grundsystem kann etwa so charakterisiert werden: Es wird mit mathematischen Gleichungen der Systemgrößen beschrieben, alle eingehenden Größen sind messbar, und schließlich bestätigen Messungen die rechnerischen Ergebnisse des Grundsystems mit prinzipiell beliebiger Genauigkeit. Der letzte Punkt ist der wichtigste. Weitere physikalische Grundsysteme sind die allgemeine Relativitätstheorie, die Quantenmechanik und die schon erwähnte Quantenelektrodynamik.  

Natürlich ist es in der elektrotechnischen Praxis mit den Maxwell-Gleichungen allein noch nicht getan, denn den konkreten Anwendungen sind noch Materialgleichungen hinzuzufügen. So ist zum Beispiel der Widerstandsfaktor im Ohmschen Gesetz vom Material abhängig. Schließlich werden Lösungen der Maxwell-Gleichungen benötigt, wenn beispielsweise der optimale Aufbau eines neu konstruierten Elektromotors berechnet werden soll. Analytische Lösungen sind hier aber nur in einfachsten Spezialfällen möglich. Die Lösungen der Maxwell-Gleichungen zusammen mit allen Materialgleichungen können nur numerisch, aber dennoch beliebig genau mit dem Computer berechnet werden. Dabei wird das stetige System der Maxwell-Gleichungen in ein diskretes System umgewandelt. Aus Differentialquotienten werden Differenzenquotienten. Numerisch wird der Raum wie beispielsweise der eines Elektromotors, der optimiert werden soll, in finite Elemente mit Stützstellen und Gittern aufgeteilt. Je kleiner die finiten Elemente, umso genauer wird die Lösung.

Gleichstrom oder Wechselstrom?

Bei der täglichen Nutzung von Strom wird man mit Gleichstrom und Wechselstrom bekannt. Alle mit Batterien betriebenen Geräte wie zum Beispiel Heckenscheren, die ohne lästige Stromkabel auskommen, werden von Gleichstrom-Motoren angetrieben. Im Gegensatz dazu wird bei uns die Geschirrspülmaschine oder der Haarföhn mit 230 Volt Wechselstrommotoren betrieben. Warum gibt es die Trennung in Gleichstrom und Wechselstrom überhaupt?  

Ursprung der Trennung war um 1890 ein technisch-wirtschaftlicher Stromkrieg zwischen Thomas Edison und George Westinghouse um die geeignete Technik für Beleuchtung. Dabei ging es um viel Geld von Marktanteilen. Edison war für Gleichstrom, Westinghouse für Wechselstrom. Westinghouse gewann diesen Krieg. Bei Gleichstrom bleibt die Stromrichtung konstant, bei Wechselstrom ändert sie sich periodisch. Weltweit ist die Wechselstromfrequenz 50 Hertz, also 50 Wechsel pro Sekunde. 50 Hertz wurden in Europa und dem größten Teil der Welt als bester Kompromiss für alle Anwendungen von Wechselstrom angesehen. Die ebenfalls noch verwendeten 60 Hertz spielen – außer in den USA – nur noch eine untergeordnete Rolle. Neben einfachem Wechselstrom gibt es auch Dreiphasenwechselstrom, der als Drehstrom bezeichnet wird. Er ist bei viel Leistung von Vorteil, wie zum Beispiel bei großen Wasserboilern oder Wärmepumpen und hat drei Anschlüsse, im Gegensatz zum Wechselstrom mit zwei Anschlüssen. 

Westinghouse setzte sich durch, weil der maßgebende Vorteil von Wechselstrom gegenüber Gleichstrom die Möglichkeit ist, Spannung mit dem relativ einfachen elektrischen Bauelement „Transformator“ auf höhere oder tiefere Spannungen zu transformieren. An der Leistung ändert sich dabei nichts, von Wärmeverlusten abgesehen. Ein Transformator ist im Prinzip ein U-förmiger Eisenkern mit gegenüberliegenden Spulen aus isoliertem Kupferdraht. Damit kann die Spannung von Freileitungen beliebig erhöht werden, wie zum Beispiel hierzulande maximal bis auf 380.000 Volt, um die Stromstärken und damit die Kabelquerschnitte für die hohen Leistungen solcher Freileitungen noch wirtschaftlich klein zu halten. Hier begegnet uns wieder die Beziehung Volt mal Ampere ist Watt – je höher die Spannung, umso weniger Ampere und Kupfer sind nötig.

Nur bei extrem langen Höchstspannungs-Freileitungen ab 800 Kilometer aufwärts wird auch wieder Gleichstrom eingesetzt, weil dort die Übertragungsverluste trotz der Konverterverluste durch die Spannungserhöhung mit Transformatoren sowie der Verluste bei Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt wieder kleiner als bei reiner Wechselspannung werden. Der Transformator und damit das kaufmännische weniger Kupfer bei längeren Stromleitungen war der entscheidende Vorteil, mit dem Westinghouse seinen Punktsieg errang. Bei Verwendung von Gleichstrom ist es dagegen vorteilhaft, dass es keine störende Blindleistung gibt. Dieser Effekt war Edison und Westinghouse bei ihrem Streit aber noch nicht bekannt. Wegen Abwesenheit von Blindleistung wird Gleichstrom heute meist bei Energieübertragung durch Seekabel verwendet. Die Umwandlung von Wechselstrom oder Drehstrom in Gleichstrom und umgekehrt erfolgt in sogenannten Stromrichterstationen.

Vergrößern Windräder unsere Tagesdauer?

Nach diesem Überblick soll nun die Energie behandelt werden, insbesondere die elektrische Energie. Alle Energie, die auf der Erde vorzufinden ist, ist entweder umgewandelte Sonnenenergie, die in fossilen Brennstoffen schlummert oder Kernenergie aus Kernspaltung. Zur Kernenergie und ihren Gegnern sei eine kurze Anmerkung erlaubt: Die Kernenergie ist keine Erfindung des Leibhaftigen, sondern völlig natürlich und wurde vom modernen Menschen nur wiederentdeckt. Im afrikanischen Gabun fand man fünfzehn natürliche Kernreaktoren, die durch eine Verkettung von ganz natürlichen Umständen kritisch wurden, über eine halbe Millionen Jahre aktiv waren, insgesamt einige hundert Terawattstunden Wärme erzeugten und vor bereits 1,5 Milliarden Jahren erloschen sind. Zurück zu den natürlichen Umgebungsenergien. Zu denen zählt die Strahlungsenergie der Sonne, die ebenfalls aus Kernenergie stammt, hier aber aus Kernfusion. Ferner gibt es noch die Bewegungsenergien von Wind, Meeresströmungen und Gezeiten, die aus der Bewegungsenergie unseres planetarischen Systems Erde und Mond kommen. 

Gezeiten, Meeresströmungen und Wind erzeugen Reibungswärme, die letztlich wieder als Strahlung ins Weltall verschwindet. Die Rotationsenergie der Erde wird durch diese Reibungsverluste verringert und als Folge davon wird die Umdrehungsdauer der Erde, also die Tagesdauer, immer länger. Zudem entfernt sich dadurch auch der Mond immer weiter von der Erde und zwar um 3,83 Zentimeter pro Jahr. Die Tageslänge erhöht sich zwar nur um etwa 20 Sekunden über eine Million Jahre, aber das addiert sich mit der Zeit. Seit Aussterben der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren ist unsere Tageslänge immerhin schon 22 Minuten größer geworden. Wenn man es ganz genau nehmen will, entziehen auch die unnatürlichen Windräder dem Wind Energie und verstärken damit weiter die Vergrößerung unserer Tagesdauer.    

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Dabei entstehen stets Verluste, in aller Regel als Wärme, wie zum Beispiel in Maschinen mit bewegten Teilen als Reibungswärme. Wenn allerdings Wärme in eine andere Energieform wie zum Beispiel in elektrische Energie oder mechanische Energie umgewandelt werden soll, geht das in größerem Maßstab nur mit Wärmekraftmaschinen, wobei physikalisch grundsätzliche Verluste unvermeidbar sind. Nur über thermoelektrische Hybridmaterialien können geringe Strommengen direkt erzeugt werden. Der französische Physiker Sadi Carnot hat die physikalische Gesetzmäßigkeit von Wärmekraftmaschinen um 1824 mit seinem berühmten Carnot-Prozess entdeckt und damit ungewollt gleich auch noch die neue physikalische Disziplin Thermodynamik gegründet. Das Prinzip des Carnot-Prozesses ist eine von mehreren Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes der Wärmelehre und gehört zu einem für die ingenieurtechnische Anwendung wichtigsten Prinzip überhaupt.

Jede Wärmekraftmaschine hat ein Wärmereservoir hoher Temperatur und eines mit tieferer Temperatur. In größeren Anwendungen wird dabei meist Gas oder Wasserdampf genutzt. In einem Gas-und-Dampfkraftwerk, kurz GuD, wird beides kombiniert, wobei übrigens mit dem Begriff Kraftwerk immer die Erzeugung von Strom gemeint ist. Im GuD erzeugen die noch heißen Gase am Ausgang der Gasturbine Dampf für eine parallellaufende Dampfturbine.

Ein umgekehrt laufender Kühlschrank

Nun zum Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Er besagt, dass in Wärmekraftmaschinen ein theoretischer Bestwirkungsgrad nicht überschritten werden kann. Man erhält seinen Wert, indem man die Temperaturdifferenz der beiden Reservoire durch die Temperatur des wärmeren Reservoirs teilt. Dies zeigt schon, dass für gute Wirkungsgrade die Temperaturdifferenz möglichst hoch sein sollte. Daher vermutet man richtig, dass beispielsweise elektrische Energie aus deutscher Erdwärme dem Verfahren von Kohleverbrennung hoffnungslos unterlegen ist. In Island, wo sich heiße Erdzonen extrem nahe unter der Oberfläche befinden, ist das aber anders. Die elektrische Energie von Island kommt tatsächlich zu 29 Prozent aus Geothermie, die restlichen 71 Prozent aus Wasserkraft – um dieses Geschenk der Natur ist Island zu beneiden. 

Zurück zu Carnot. Der Wirkungsgrad eines Benzinmotors ist seine mechanische Antriebsenergie geteilt durch die Verbrennungswärme des Benzins. Er beträgt wegen des Carnot-Prozesses nur ungefähr 0,3 oder 30 Prozent – beim Diesel geht es herauf bis 45 Prozent. Das theoretische Carnot-Prinzip geht über die spezielle Wärmekraftmaschine weit hinaus, denn der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt auch noch, dass Wärme durch überhaupt keine periodisch arbeitende Maschine vollständig in Arbeit umgesetzt werden kann, und sei sie noch so raffiniert gebaut. Auch wir Menschen unterliegen dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, denn wenn wir Körperenergie einsetzen, wird es uns warm. Auch unsere Erde muss dem Zweiten Hauptsatz gehorchen. Hier ist das warme Reservoir die Sonne und das kalte Reservoir der dunkle Weltraum. Weitere, dem Zweiten Hauptsatz unterliegende Anwendungen sind der Kühlschrank, der aus Strom im Kühlfach Kälte und außen an seiner Rückwand Wärme erzeugt. Die jüngst propagierte Wärmepumpe funktioniert, anschaulich ausgedrückt, wie ein umgekehrt laufender Kühlschrank. Sie ist wesentlich energieeffizienter als die Wärmeerzeugung mit einer simplen elektrischen Widerstandsheizung. 

Die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie mittels eines Elektromotors und auch der umgekehrte Vorgang sind dagegen prinzipiell verlustfrei, von unvermeidbaren geringfügigen Reibungsverlusten abgesehen. Elektrische Energie und mechanische Energie zählt man daher zu den wertvollen Energien, weil ihre Umwandlung in andere Energieformen prinzipiell verlustfrei ist. Wärme ist dagegen die am wenigsten wertvolle Energie, weil ihre Umwandlung in andere Energiearten dem grundlegenden Carnot-Verlust unterliegt.

Batterielösung aus wirtschaftlichen Gründen völlig unrealistisch

Die Menge an elektrischer Energie, die mit Kohle, Mineralöl oder Erdgas betriebene Kraftwerke weltweit erzeugen, übertrifft bei Weitem die aller anderen Methoden. Kernkraftwerke könnte man noch dazuzählen, weil die Kernspaltung Wärmeenergie erzeugt, die dann genauso wie in den fossilen Kraftwerken über Dampfturbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Ferner werden noch Wind, Sonneneinstrahlung und Biomasse zur Stromerzeugung eingesetzt. Wegen der prinzipiellen Carnot-Verluste könnte man annehmen, dass Stromerzeugung aus Wärme generell ungünstiger sei als Strom aus Wind oder Sonne. Dies trifft nicht zu. Es wird sich später noch zeigen, dass die Vorteile fehlender Carnot-Verluste bei der Stromerzeugung aus Wind und Sonne sogar völlig vernachlässigbar sind, wenn man diese Vorteile mit den grundlegenden Nachteilen von Wind und Sonne vergleicht.

Elektrische Energie kann nur in geringen Mengen direkt gespeichert werden. Das erfolgt mit passiven elektrischen Bauelementen wie Kondensatoren. Selbst sogenannte Superkondensatoren können aber nur um 20 Wattstunden Energie pro Kilogramm Kondensatorgewicht speichern. Das reicht für Anwendungen wie die sogenannte Powerbank, die aufgeladen und mit relativ kleinen Abmessungen und geringem Gewicht als nützliches Werkzeug im Fahrzeug mitgenommen wird. Damit kann man auch in einem großen Fahrzeug wieder den Anlasser starten, wenn die Batterie schlapp gemacht hat. Die hohe aber nur sehr kurz von der Powerbank aufrechterhaltene Leistung reicht dafür aus. Hier geht es aber jetzt um elektrische Energie, die um mehrere Größenordnungen größer sein muss als die in Powerbanks. Sie wäre zu speichern, um beispielsweise für die Überbrückung eines längeren Blackouts zu sorgen. Das geht nur durch indirekte Speicherung von Energie mit chemischen, hochgewichtigen und kostspieligen Batterien – heute meist Lithium-Ionen-Batterien. Eine andere Lösung wären Pumpspeicheranlagen, die die Lageenergie von Wasser zwischen einem Berg und dem zugehörigen Tal nutzen.

Die Energiekosten von Lithium-Ionen-Batterien werden unterschiedlich angegeben. Sie liegen aktuell am günstigsten bei etwa 100.000 Euro für eine Megawattstunde. Als Anschauungsbeispiel wollen wir verlangen, dass bei einem längeren bundesweiten Blackout, wenigstens für einen Tag die elektrische Energie Deutschlands durch derartige Batterien überbrückt werden sollte und nach den Kosten fragen. Die Realisierbarkeit dieses Szenarios ist mühelos abzuschätzen: Das Umweltbundesamt nennt im Schnitt etwa 550 Terawattstunden benötigter elektrischer Energie in Deutschland pro Jahr. 550 durch 365 Tage sind 1,5 Terawattstunden, die unsere Batterien an einem einzigen Tag ersetzen müssten. Mit 100.000 Euro für eine Megawattstunde kostet der Ersatz aus Batteriestrom 150 Milliarden Euro. Die zusätzlichen Kosten für die Anschlusstechnik der Batterien, ihre Lagerung, ihr Aufladen etc. sind dabei unberücksichtigt, auch nicht die Kosten von Batterieverschleiß durch allmählichen Verlust der Leistung aufgrund von Alterung. Die dramatische Kapazitätsabnahme von Batterien bei Kälte soll ebenfalls keine Rolle spielen. Unsere elementare Abschätzung reicht bereits aus, um zu belegen, dass die Batterielösung aus wirtschaftlichen Gründen völlig unrealistisch ist.

Es bleiben dann in Deutschland nur noch Pumpspeicherwerke übrig wie das hierzulande größte – Goldisthal in Thüringen –, dessen technische Werte wir verwenden wollen. Große Staudämme haben wir nicht, und alle anderen immer wieder einmal vorgeschlagenen Lösungen sind noch teurer. Pumpspeicherwerke verfügen über ein Wasser-Reservoir im Tal und eines auf dem Berg. Ist für das Pumpspeicherwerk ausreichend Strom aus dem Netz verfügbar, wird von der Tal-Pumpturbine in das obere Reservoir Wasser gepumpt, das Pumpspeicherwerk wird sozusagen geladen. Fehlt Strom, wird das Wasser unter Ausnutzung seiner Lageenergie im oberen Reservoir über die 800 Meter lange Wasserleitung von Goldisthal wieder von der Tal-Pumpturbine in elektrische Energie umgewandelt. Die maximal gespeicherte Energiemenge von Goldisthal beträgt 8,5 Gigawatt-Stunden. Die kürzeste Entleerungsdauer beträgt eine Stunde, dabei ist die Maximalleistung circa 1 Gigawatt. Für den Ausgleich eines vollen Tages Blackout in Deutschland, bräuchte man unter großzügiger Weglassung der nicht mehr zu vernachlässigenden Reibungsverluste der Wasserleitung mindestens 180 Pumpspeicherwerke mit der Leistung von Goldisthal. Deutschland hat für Pumpspeicherwerke aber nicht einmal die topographischen Voraussetzungen.

Lesen Sie morgen: Deutsche Energie-Irrtümer einfach erklärt.

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

Teil 1 finden Sie hier.

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“.

Die in diesem Text enthaltenen Links zu Bezugsquellen für Bücher sind teilweise sogenannte Affiliate-Links. Das bedeutet: Sollten Sie über einen solchen Link ein Buch kaufen, erhält Achgut.com eine kleine Provision. Damit unterstützen Sie Achgut.com. Unsere Berichterstattung beeinflusst das nicht.