Energie- und Stromversorgung

Schnelle Übersicht:

• Bereitstellung/Erzeugung elektrischer Energie
• Verteilung, Netze, Netzsysteme
• Transformatoren
• Links zu Infoseiten der Energieversorger und Netzbetreiber
• Grundlagen Halbleiter
• Gleichrichter und Netzteile, Stromversorgungsanlagen
• Oberschwingungen

Was ist der erste Schritt? Klar - die Energieerzeugung.
Das Prinzip ist hier immer gleich:
Eine primäre Energieform - regenerative Energien wie Wasser, Wind, Sonne, ... oder auch fossile Energien, Kernenergie (in Deutschland ab 2022 abgeschaltet) - wird in elektrische Energie umgewandelt. Ganz grundsätzlich ist das auf der Seite Grundlagen Elektrotechnik im Video "Spannung und Strom" erklärt. 
Das Schlagwort aus der Physik hierzu heißt Energieerhaltungssatz (EES). Dieser besagt vereinfacht, dass Energie nicht "verbraucht" sondern nur umgewandelt wird, also z.B. die Bewegungsenergie des Wassers oder thermische Energie in elektrische Energie.
Hier wird das Prinzip am Beispiel einer Dampfturbine in einem thermischen Kraftwerk dargestellt.

Hier wird ebenfalls Energie erzeugt:
Ein beeindruckender und informativer Film der EnBw über den Ausbau des Laufwasserkraftwerkes Iffezheim am Rhein, dem größten seiner Art in Deutschland.

Photovoltaik im großen Maßstab
Für die deutschen Energieversorger ist das Thema Kernenergie abgeschlossen und Vergangenheit. Hier ein Bericht zur Inbetriebnahme des größten deutschen Solarparks durch die EnBw.

PV-Anlage der Steinbeisschule

Auch die Steinbeisschule verfügt seit 2015 über eine eigene 30kWp-Anlage.
Dabei sind 10kW auf dem Dach des Altbaus "klassisch" nach Süden und auf dm "Neubau" jeweils 10kW in Ost- und Westrichtung ausgerichtet. Warum das? Damit wird das steile Maximum über die Mittagszeit "abgeflacht" und es steht bereits am Morgen (Ost) und am Abend (West) Energie zur Verfügung.
Im Gastzugang können die aktuellen Ertragsdaten und die Historie der vergangenen Monate/Jahre abgerufen werden.
Unter "Analyse" im Bereich "Datenquellen" sieht man die aktuelle Leistung aufgeteilt auf die beiden Generatoren und Wechselrichter.

Das folgende Video zeigt nicht nur das Prinzip der generatorischen Erzeugung, sondern gibt auch einen Einblick in die Abhängigkeit der Netzfrequenz von der Last - und was bei Überlastung passieren kann: Blackout.

Damit die Energie auch bei uns ankommt, ist ein aufwändiges Übertragungsnetz auf verschiedenen Spannungsebenen notwendig. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Freileitungen. Ein wichtiger Netzbetreiber auf der Höchst- (380kV) und Hochspannungsebene (220kV) ist 50Hertz, von den auch das folgende Video stammt.
Sehr interessant ist auch der Blick auf die Projekte im Netzausbau.

Aber warum macht man das überhaupt mit so hohen Spannungen?
Die Antwort findet sich hier:

Aufgaben/Fragen:

1. Nenne die Spannungsebenen im Energieversorgungsnetz.
2. Erkläre, welche beiden Möglichkeiten es prinzipiell gib, um hohe Leistungen zu übertragen.
3. Von den beiden Möglichkeiten wird nur eine gewählt ;-). Erkläre, warum das so ist.
4. Erste Animation: Arbeite dich "klickweise" durch die Beispiele.
   Beschreibe den Rechenweg (in Worten und mit den passenden Formeln), mit dem die Verluste im ersten "Beispiel ohne Hochspannungsleitung" berechnet werden.
   Erkläre, was letztlich dafür verantwortlich ist, dass bei steigendem Strom die Leitungsverluste "überproportional ansteigen".
5. Verfolge die zweite Animation und "baue" Schritt für Schritt das einfache Modell einer Energieübertragung auf. Notiere die dort erwähnten Komponenten.
6. Ein Rechenbeispiel zu Aufgabe 3:
   Es soll eine Leistung von 10MW übertragen werden.
   Berechne die Stromstärke (Achtung - Drehstrom!)
   - bei 380kV
   - bei 400V

Stromleitung ohne Widerstand? Das geht - mit Supraleitung.
Wer das genauer wissen will, weiß nach diesem Vortrag mehr:

Der Transformator: Anpassung der Spannungshöhe

Auf allen Ebenen der Energieversorgung werden Transformatoren benötigt, und die Spannungshöhen auf die nächste Ebene herauf- oder herunterzutransformieren.
Einphasentrafos übersetzen die Spannung, wie de Name schon sagt, für Wechselspannung (eine Phase).
In dreiphasigen Drehstromnetzen sind dies dann natürlich keine drei getrennten Trafos, sondern Drehstromtrafos, die alle drei Phasen in einer Baugruppe übersetzen. Dies wird durch einen bestimmte Wicklungsart erreicht die zudem noch dem Trafo je nach Anwendungsfall besondere Eigenschaften gibt.

Auf den Seiten der Energieversorger und Netzbetreiber finden sich viele interessante Informationen, auch zu den aktuellen Themen Erneuerbare Energien, Netzausbau und Elektromobilität. Ohne Wertung und ohne Anspruch auf Vollständigkeit hier eine Zusammenstellung einiger Links.

Energieversorger regional und überregional:

• ED - Energiedienst: Wasserkraft vom Hochrhein, mit interessanten Angeboten für Schulen. Am Ende der hier verlinkten Seite finden sich weitere Links zu interessanten Webseiten rund um das Thema Energie.
  Auch die Steinbeisschule hat bereits mehrfach die Kraftwerke des ED besichtigt.
• Die EnBw - klarer Kurs weg von der Atomenergie zu den Erneuerbaren.
• Die Schönauer "Stromrebellen" - Bürgerenergie aus dem Schwarzwald.
• Strom aus Rottweil - die EnRw.

Netzbetreiber - vor Ort  und bundesweit:

• Unser dualer Partner, die Netze-Bw, setzt wieder verstärkt auf eigene Kräfte im Netzbetrieb. Dies wird auch durch die Investition in ein neues Ausbildungszentrum in Tuttlingen und die Erhöhung der Anzahl der Ausbildungsplätze für den Elektroniker für Betriebstechnik (BT) deutlich,
• Aufbau und Betrieb von Hoch- und Höchstspannungsnetze, vorwiegend in den "neuen" Bundesländern: 50Hertz.

Diode, Transistor und Gleichrichterschaltungen

Das zentrale Bauteil der Stromrichter ist die Diode und der Transistor in verschiedenen Ausführungen. Das folgende animierte Video zeigt im Detail den Aufbau und die Hintergründe der Wirkungsweise von Diode und Transistor:

Aufgaben/Fragen zum Video

Hinweis: Videos grundsätzlich zweimal ansehen.
Erster Durchgang: Allgemeinen Überblick zum Thema bekommen
Zweiter Durchgang: Auf Informationen zu den Fragen achten.

1. Nenne die Anzahl der Transistoren, aus denen aktuelle Smartphone-Prozessoren bestehen.
2. Erkläre, wofür Transistoren hauptsächlich verwendet werden.
3. Aus welchem Material bestehen aktuelle Dioden und Transistoren? Wie kann man sich den Aufbau auf der Ebene der Atome vorstellen?
4. Erkläre die Begriffe N- und P-Dotierung und welche Bedeutung sie für die Leitfähigkeit haben.
5. Erkläre, was an der Grenze zwischen N- und P-dotiertem Silizium passiert.
   Welcher typische Spannungswert ist damit verbunden?
6. Skizziere den Aufbau eines Transistors, ausgehend von der Diode.
7. Erkläre den Zusammenhang zwischen Basis- und Kollektorstrom.
8. Gib die Formel zur Berechnung der Stromverstärkung B und einen typischen Wert dafür an.
9. Nenne die Bezeichnung des hier gezeigten Transistor-Grundtyps.
10. Erkläre, durch welche Maßnahme sich die Verstärkung einer Schaltung weiter erhöhen lässt.

Noch zwei weitere Videos, die einmal den Aufbau und die grundlegende Funktion einer Halbleiterdiode und einmal den EInbau in einen Stromkreis erklären.

Ein weiteres Video erklärt knapp verschiedenen Diodentypen und auch den Unterschied zwischen "normalen Dioden" und Z-Dioden.

Aufgabe - Stelle die im Video genannten Diodenarten in einer Tabelle zusammen:
Bezeichnung, Aufbau, Aufgabe, typische Daten.

Ohne Mikroelektronik geht heute ja nichts mehr.
Doch woraus und wie werden diese technischen Wunder hergestellt?
Hier der Lehrfilm einer Firma, wie weiß wie das geht: Infineon.

Stromrichter
Gleichrichter, Wechselrichter ... was machen sie und wo werden sie eingesetzt?
Eine kurze Übersicht.

Eine typische Anwendung für Dioden ist der Gleichrichter:
Was macht er, welche Bauformen gibt es?
Der kurzen Einführung zu Dioden folgt eine Übersicht der Gleichrichtertypen (1-3-phasig).

Zur Bearbeitung einer Aufgabe wird das Datenblatt der 1N40xx-Dioden benötigt.
Kleine Übung in technischem Englisch ;-).

Einweg- und Brückengleichrichter
Zwei Videos zum Einweg-Gleichrichter und zum Brückengleichrichter zeigen die Unterschiede der Schaltungen auf. Ebenso wird die Funktion eines Glättungskondensators demonstriert.

Fragen zu den Videos - schriftlich beantworten:

1. Erkläre, warum der Einweg-Gleichrichter "Einweg-Gleichrichter" heißt ;-).
2. Nenne einen Nachteil des Einweg-Gleichrichters.
3. An einer Stelle des ersten Videos klappt die gelbe Spannungskurve um. Erkläre, was die Ursache ist (Was wurde geändert?).
4. Erkläre, von welcher Größe (der angelegten Spannung) die Blinkfrequenz der Diode bei Einweg-Gleichrichtung abhängt. Nenne ein Beispiel.
5. Erkläre die Maßnahme zur Glättung der Ausgangsspannung.
6. Zeichne die Schaltung des Brückengleichrichters auf.
7. Erkläre, warum bei der Demo dazu immer zwei Dioden gleichzeitig leuchten und weshalb die "Lastdiode" mit der doppelten Frequenz der Brückendioden-Paare blinkt.
8. Nenne den Vorteil des Brückengleichrichters gegenüber dem Einweg-Gleichrichter.
9. Erkläre begründet, auf welche Spannung sich im unbelasteten Fall der Glättungskondensator auflädt.
10. Wiederholung 1:
    Notiere die Formeln zur Berechnung der Kapazität
    - bei Parallelschaltung
    - bei Reihenschaltung
11. Wiederholung 2:
    Berechne die Zeitkonstante eines RC-Gliedes für R=1kΩund C=1µF.

Netzteile - wozu dienen sie?
Netzteile dienen der Versorgung elektrischer Betriebsmittel und passen z.B. die Spannungshöhe und Stromart des speisenden Netzes an die Spannungshöhe und Stromart des Betriebsmittels an.
Die wesentlichen Komponenten eines typischen Netzteils zur DC-Versorgung aus dem Wechselstromnetz sind:

• Transformator
• Gleichrichter
• Siebung/Glättung
• Spannungsstabilisierung

Unterschieden werden kann zwischen Linearnetzteilen und Schaltnetzteilen.
Bei Linearnetzteilen ist der Trafo direkt mit dem speisenden Netz verbunden und stellt die Spannungsanpassung auf der Ebene der Netzfrequenz her. Lineare Netzteile sind "groß und schwer", aber aus EMV-Sicht "sauber" - sie erzeugen keine Störfrequenzen.

Zunächst wird das gute alte lineare Netzteil betrachtet.

Die Kurzversion davon:

Eine Prüfungsaufgabe zum Thema. Hier benötigt man auch mal wieder das Ohm'sche Gesetz. Ihr erinnert euch, was das ist ;-)?
Empfehlung zur Bearbeitung wie immer:
Erst selber versuchen, dann die Lösung anschauen.

Nachdem man nun weiß, was ein Linearnetzteil ist und wie es aufgebaut ist, folgt nun das Schaltnetzteil, das Vorteile, aber auch Nachteile hat.
Schaltnetzteile arbeiten nach Gleichrichtung getaktet mit Schaltwandlerstufen und Trafos auf der "Taktfrequenz-Seite". Diese Frequenz ist um ein vielfaches höher als die des speisenden Netzes. Die Trafos sind dadurch kleiner und haben weitgehend nur die Aufgabe der Potentialtrennung. Schaltnetzteile sind klein und leicht, aber in Billigausführung aus EMV-Sicht dann "dreckig", da sie mit ihren Schaltimpulsen ohne Gegenmaßnahmen Störungen / Oberschwingungen bis in den HF-Bereich erzeugen.

Oberschwingungen (mehrfache der Grundfrequenz) entstehen immer dort, wo Ströme nicht mehr rein sinusförmig verlaufen, z.B. bei Ein-Ausschaltvorgängen, getakteten Systemen, die Impulse erzeugen oder Sinusverläufe an- oder abschneiden.
Hier ist zu beachten: Das spesende Netz leifert natürlich weiterhin sinusförmige Sapnnung, was sich "verbiegt" ist der Strom.
Wie es zu erklären ist, dass diese Signalformen Oberschwingungen enthalten zeigt die Animation in geogebra.
Aufgabe: besuche die Seite und verändere die Anzahl der Oberschwingungen und der Amplitudenhöhe,.
Eine gute Zusammenfassung zum Thema Oberwellen bietet die Präsentation der Firma MTM-Systeme. Bitte durcharbeiten und die Fragen dazu beantworten.