Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

In außergewöhnlich verständlicher Weise führt dieses Buch in die Komplexität moderner Elektroenergiesysteme und insbesondere in das Generationenprojekt Energiewende ein. Von der Umwandlung der Primärenergieressourcen der Erde in konventionellen thermischen Kraftwerken bis hin zur aktuellen Migration des überwiegenden Teils der deutschen Jahresstromproduktion weg von den großen Kraftwerken zu Millionen dezentraler EE­-Stromerzeugungsanlagen in den Verteilnetzen behandelt das Buch das gesamte Spektrum der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Der Paradigmenwechsel in der Stromproduktion und Stromverteilung geht einher mit der Aufrüstung klassischer Verteilnetze zu Smart Grids mittels kommunikationsfähiger, intelligenter Messsysteme sowie umfassender Änderungen ihrer Netzführung und Netzbereitstellung. Besondere Beachtung erfahren wirtschaftliche Aspekte im Rahmen der Liberalisierung des Strommarktes und der Energiewende sowie informationstechnische Aspekte sicherer Kraftwerks- und Netzleittechnik. Visionen von Smart Homes und Smart Cities sowie potentiellen Optionen künftiger Energiespeicherung lassen die weitere Evolution der allgemeinen Stromversorgung erahnen. Neu aufgenommen wurden auch die seltenen Risiken flächendeckender Blackouts durch geomagnetische Stürme oder nukleare elektromagnetische Impulse. Schließlich rundet eine neue Sichtweise und Begriffsbildung bezüglich Wirk- und Blindleistungen die 6. Auflage ab.

Das Buch wendet sich vorrangig an Studierende und Berufsanfänger der Elektrotechnik sowie an alle in der Praxis stehenden Ingenieure und Fachleute anderer Disziplinen, die mit Elektroenergiesystemen, der Energiewende und allen daraus resultierenden Veränderungsprozessen in der allgemeinen und industriellen Stromversorgung befasst sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Elektrische Energie und Lebensstandard

Zusammenfassung
Der Wohlstand einer Nation besitzt zwei Quellen. Man holt ihn entweder aus dem Boden oder man produziert. Beispiele für ersteres sind die erdöl-, erdgas-, diamanten-, gold- oder kohleexportierenden Länder, Beispiele für letzteres die so genannten Industrienationen. Ihre Industrien und Gewerbebetriebe erbringen sowohl mit klassischen als auch zunehmend mehr wissensbasierten Produkten und Dienstleistungen eine Wertschöpfung. Beispielsweise werden in Produktionsbetrieben Rohmaterialien ver- und bearbeitet, zu Produkten veredelt und für einen höheren Preis wieder verkauft. Der so geschaffene Mehrwert finanziert über die Unternehmensteuern, die Ausgaben des Beschaffungswesens sowie durch die Steuern und Ausgaben der Eigentümer, Lohn- und Gehaltsempfänger für ihren Lebensunterhalt alle anderen privaten und staatlichen Einrichtungen bzw. Dienstleister.
Adolf J. Schwab

2. Elektroenergiesysteme, Verbundsysteme

Zusammenfassung
Die Wurzeln unserer heutigen Stromversorgung reichen zurück bis zur Entdeckung des Induktionseffekts durch Faraday im Jahr 1831, die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahr 1866 und den Beginn der großtechnischen Herstellung von Glühlampen durch Edison im Jahr 1879. Anfänglich wurden zahllose Gleichstromgeneratoren, später zunehmend auch Wechselstrom- und Drehstromgeneratoren dezentral in Fabriken, Bürohäusern, Hotels, Theatern etc. zur Stromerzeugung eingesetzt, zunächst überwiegend für Beleuchtungszwecke
Adolf J. Schwab

3. Energieressourcen – Energieverbrauch

Zusammenfassung
Der Verbrauch elektrischer Energie unterliegt je nach Tageszeit, Wochentag und Monat zeitlichen Schwankungen, die in Tageslastdiagrammen grafisch dargestellt werden. Beispielsweise zeigt Bild 3.1 zwei typische Tageslastkurven höchster und niedrigster Spitzenlast der BRD.
Adolf J. Schwab

4. Stromerzeugung in Wärmekraftwerken

Zusammenfassung
Kernkraftwerke sind zwar grundsätzlich auch Dampfkraftwerke, unterscheiden sich aber wesentlich in der Natur ihrer Primärenergie und der Art ihres Dampferzeugers. Sie werden daher gewöhnlich als eigenständige Kraftwerkstechnologie behandelt (s. Kapitel 5).
Adolf J. Schwab

5. Stromerzeugung in Kernkraftwerken

Zusammenfassung
Kernkraftwerke sind grundsätzlich auch thermische Kraftwerke bzw. Dampfkraftwerke. In ihnen wird jedoch die zum Verdampfen des Wassers benötigte Wärme nicht durch Verbrennungsvorgänge, sondern durch Freisetzen von Kernenergie in Kernreaktoren gewonnen. Ein Problem der Kernenergie ist ihre geteilte gesellschaftliche Akzeptanz angesichts mehrerer massiver Reaktorunfälle in anderen Ländern und der Problematik der Endlagerung derzeit nur zwischengelagerter radioaktiver Abfälle.
Adolf J. Schwab

6. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien

Zusammenfassung
Gemäß dem 1. Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) aus dem Jahre 1935 erfolgte die Stromerzeugung in Deutschland vorrangig unter dem Gesichtspunkt minimaler Stromkosten bzw. -preise (s. a. 2.1.1 und 2.1.2). Der kostenoptimale Strommix aus fossil befeuerten Kraftwerken, Wasserkraftwerken und später Kernkraftwerken richtete sich neben betrieblichen Erfordernissen nach den aktuellen Preisen bzw. Kosten für die verschiedenen Primärenergieträger.
Adolf J. Schwab

7. Kraftwerkleittechnik

Zusammenfassung
Bei sehr einfachen technischen Prozessen steuert ein Bediener, Anlagenfahrer oder Prozessführer (engl.: operator) den Prozess direkt vor Ort von einer Schalttafel oder einer Frontplatte aus über Drucktasten, Drehschalter etc. Bei räumlich ausgedehnten, komplexen Prozessen kann der Anlagenfahrer die Vielzahl der Schalthandlungen und etwaiger Regeleingriffe nicht mehr selbst in angemessener Zeit vor Ort durchführen. Alle Steuerbefehle gehen dann von einer zentralen Schaltwarte aus.
Adolf J. Schwab

8. Umwandlung mechanischer Energie mittels Synchrongeneratoren

Zusammenfassung
Die großtechnische Umwandlung der von den Gas-, Dampf- und Wasserturbinen, gegebenenfalls auch von Dieselmotoren bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt mit Drehstromsynchrongeneratoren. Sie erzeugen den überwiegenden Anteil der weltweit verbrauchten elektrischen Energie.
Adolf J. Schwab

9. Bereitstellung elektrischer Energie auf verschiedenen Spannungsebenen

Zusammenfassung
Die verlustarme Übertragung und Verteilung großer Mengen elektrischer Energie erfordert Transformatoren, die diese Energie für den Transport über große Entfernungen auf hohem Spannungsniveau bereitstellen.
Adolf J. Schwab

10. Transport und Übertragung elektrischer Energie

Zusammenfassung
Transport und Übertragung elektrischer Energie erfolgen im Regelfall mit Drehstrom, oberbegrifflich als Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung bzw.
Adolf J. Schwab

11. Verteilung elektrischer Energie

Zusammenfassung
Von Verteilung spricht man bei der Weiterleitung elektrischer Energie aus den 220 kV/380 kV-Transportnetzen zu diversen Verteilerunternehmen, und letztlich zu den Sonderabnehmern und Endverbrauchern.
Adolf J. Schwab

12. Sternpunktbehandlung

Zusammenfassung
In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen in den Sternpunkten der Betriebsmittel stets zu Null
Adolf J. Schwab

13. Schaltanlagen

Zusammenfassung
Schaltanlagen, genauer gesagt ihre Sammelschienen, bilden die Netzknoten der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze, Bild 13.1.
Adolf J. Schwab

14. Netzschutz

Zusammenfassung
Netzschutz gliedert sich in den Überspannungsschutz und die so genannte Schutztechnik. Der Überspannungsschutz verhindert das Isolationsversagen von Betriebsmitteln infolge von Überspannungsbeanspruchungen.
Adolf J. Schwab

15. Frequenz- und Spannungsregelung

Zusammenfassung
Im stationären Betrieb eines Hochspannungsnetzes mit Nennfrequenz fN und einem bestimmten Spannungsprofil UNi (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung.
Adolf J. Schwab

16. Netzleittechnik

Zusammenfassung
Das Transportnetz und die Verteilnetze eines Elektroenergiesystems werden mit Hilfe von Netzleitsystemen geführt. Netzleitsysteme weisen gegenüber gewöhnlichen Prozessleitsystemen zwei zusätzliche Komplexitätsgrade auf.
Adolf J. Schwab

17. Netzbetrieb

Zusammenfassung
Die komplexe Aufgabe des Netzbetriebs teilen sich die beiden großen Themenkomplexe Netzführung und Netzbereitstellung, Bild 17.1.
Adolf J. Schwab

18. Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb

Zusammenfassung
Die Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb erfolgt heute fast ausschließlich im Rahmen der so genannten Leistungsflussrechnung. Vor dem Aufkommen der Digitalrechner wurden Knotenspannungen und Zweigströme mittels analoger Netzmodelle (spezielle Analogrechner) bestimmt.
Adolf J. Schwab

19. Kurzschlussstromberechnung Beim

Zusammenfassung
Beim Versagen der Isolation zwischen den Leitern eines Drehstromsystems infolge Alterung, betrieblicher oder atmosphärischer Überspannungen etc. kommt es an der Fehlerstelle zu einem Lichtbogen, der die Verbraucherimpedanzen praktisch kurzschließt.
Adolf J. Schwab

20. Stabilität von Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung
Im stationären Betriebszustand eines Elektroenergiesystems herrscht an jedem Generator und auch im gesamten Netz ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Wirkleistung sowie ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Blindleistung, so genannte Wirkleistungs- und Blindleistungsbalance (siehe Kapitel 15).
Adolf J. Schwab

21. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung
Wie die vorangegangenen Kapitel gezeigt haben, sind Elektroenergiesysteme bezüglich Variabilität, Konnektivität und investiertem Kapital die größten und komplexesten von menschlicher Hand geschaffenen technischen Systeme.
Adolf J. Schwab

22. Anhang

Zusammenfassung
Die in elektrischen Energienetzen auftretenden Wechselspannungen und Wechselströme besitzen im ungestörten Betrieb einen näherungsweise sinus- bzw.
Adolf J. Schwab

Backmatter

Weitere Informationen