Physik Realschule Bayern › Energie › Jahrgangsstufe 10
Energieübertragung über weite Strecken
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Energie
Im Lernbereich Energieversorgung der 10. Jahrgangsstufe erklären Lernende die Verluste bei der Energieübertragung mit \(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\) und begründen die Hochspannungsübertragung. Sie kennen weitere Übertragungswege wie HGÜ, Wasserstoff und Fernwärme. Dieser Lernbereich schließt den Physiklehrplan der Realschule ab.
Verluste auf dem Weg zum Verbraucher
Elektrische Energie wird im Kraftwerk erzeugt, aber oft hunderte Kilometer entfernt gebraucht. Auf diesem langen Weg durch die Überlandleitungen geht ein Teil der Energie verloren: Die Leitungen haben einen Widerstand und erwärmen sich, wenn Strom durch sie fließt. Diese unerwünschte thermische Leistung ist:
\( P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2 \)
Dabei ist \(R\) der Widerstand der Leitung und \(I\) die Stromstärke. Wichtig ist das \(I^2\): Verdoppelt sich der Strom, vervierfacht sich die Wärmeverlustleistung. Der Strom ist also der entscheidende Faktor.
Merke: Um die Verluste in Fernleitungen klein zu halten, muss die thermische Leistung \(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\) gering sein. Das erreicht man durch eine kleine Stromstärke \(I\) und einen kleinen Leitungswiderstand \(R\).
Beispiel 1: Verluste bei kleinem und großem Strom
Eine Leitung hat den Widerstand \(R=10\,\Omega\). Berechne die Verlustleistung einmal bei \(I=100\,\mathrm{A}\) und einmal bei \(I=10\,\mathrm{A}\).
Gegeben: \(R=10\,\Omega\); (a) \(I=100\,\mathrm{A}\), (b) \(I=10\,\mathrm{A}\)
Gesucht: Verlustleistung \(P_{\mathrm{th}}\)
Formel: \(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\)
\( P_{\mathrm{th,a}}=10\,\Omega\cdot (100\,\mathrm{A})^2=10\cdot 10\,000\,\mathrm{W}=100\,000\,\mathrm{W}=100\,\mathrm{kW} \)
\( P_{\mathrm{th,b}}=10\,\Omega\cdot (10\,\mathrm{A})^2=10\cdot 100\,\mathrm{W}=1\,000\,\mathrm{W}=1\,\mathrm{kW} \)
Antwort: Bei einem zehnmal kleineren Strom sind die Verluste \(100\)-mal kleiner (\(1\,\mathrm{kW}\) statt \(100\,\mathrm{kW}\)), weil der Strom quadratisch eingeht. Deshalb überträgt man Energie mit möglichst kleinem Strom.
Hochspannung spart Verluste
Wie bekommt man bei gleicher übertragener Leistung einen kleinen Strom? Die Leistung ist \(P=U\cdot I\). Macht man die Spannung sehr groß, wird der Strom bei gleicher Leistung entsprechend klein. Genau dafür transformiert man die Spannung vor der Übertragung mit einem Trafo auf mehrere \(100\,000\,\mathrm{V}\) hoch und beim Verbraucher wieder herunter.
Beispiel 2: Warum Hochspannungsleitungen?
Warum überträgt man elektrische Energie über weite Strecken mit Hochspannung und nicht einfach mit den \(230\,\mathrm{V}\) aus der Steckdose?
Antwort: Bei hoher Spannung fließt für dieselbe Leistung ein kleiner Strom. Weil die Verluste \(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\) vom Strom quadratisch abhängen, bleiben sie dann klein. Mit \(230\,\mathrm{V}\) wäre der Strom riesig und fast die ganze Energie würde unterwegs als Wärme verloren gehen. Deshalb: hochtransformieren für den Transport, heruntertransformieren für den Haushalt.
Andere Wege, Energie zu transportieren
Elektrische Energie lässt sich nicht nur mit Wechselstrom übertragen. Über sehr weite Strecken nutzt man auch die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), die noch verlustärmer ist. Energie kann außerdem ganz ohne Stromleitung transportiert werden, zum Beispiel:
- mit Wasserstoff: Überschüssiger Strom spaltet Wasser in Wasserstoff, der gespeichert und transportiert und später wieder verstromt oder verbrannt wird,
- mit Fernwärme: heißes Wasser wird in gedämmten Rohren zu Wohngebieten geleitet und heizt dort.
Beispiel 3: Übertragungswege zuordnen
Ordne zu: (a) Strom vom Windpark im Norden in den Süden, (b) Abwärme eines Kraftwerks in die Wohnungen der Nachbarschaft, (c) Energie aus Sommer-Sonnenstrom für den Winter.
| Aufgabe | geeigneter Übertragungsweg |
| Strom über 700 km | HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom) |
| Abwärme ins Wohngebiet | Fernwärme (heißes Wasser) |
| Sommerstrom für den Winter | Wasserstoff speichern |
| Strom in der Region | Wechselstrom-Fernleitung |
Antwort: Je nach Entfernung und Zweck eignen sich verschiedene Wege: Wechselstrom für normale Entfernungen, HGÜ für sehr weite Strecken, Fernwärme für Wärme in der Nähe und Wasserstoff, um Energie über lange Zeit zu speichern und zu transportieren.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Verluste hängen von der Spannung ab: Direkt gehen sie vom Strom ab (\(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\)). Die Hochspannung hilft, weil sie den Strom klein macht.
- \(I\) nicht quadriert: In \(P_{\mathrm{th}}=R\cdot I^2\) wird die Stromstärke quadriert. Doppelter Strom bedeutet vierfache Verluste.
- Hochspannung ist gefährlich und unnötig: Sie ist technisch nötig, um die Übertragungsverluste klein zu halten.
- Energie nur als Strom übertragbar: Auch Wasserstoff und Fernwärme transportieren Energie.
- HGÜ und Wechselstrom verwechselt: HGÜ (Gleichstrom) ist für sehr weite Strecken besonders verlustarm.
Üben: Aufgaben zur Energieübertragung
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu Übertragungsverlusten, zur Hochspannungsübertragung und zu Übertragungswegen, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
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Grundlage: Transformator
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