Elektrizität benötigt immer einen Stromkreis. Erst wenn dieser geschlossen ist, kann ein Strom fliessen und so Leistung erzeugt werden. Nur, woher kommt diese Energie denn? Nicht direkt aus der Elektrizität, denn diese kann die Energie nur übertragen. Man muss daher viel Energie zuführen um Elektrizität zu erzeugen. Danach wird diese übertragen und erzeugt wiederum eine Arbeit. Das ist kurz beschrieben der Weg, den die Elektrizität geht.

Woher kommt Ihre Elektrizität? Wie, aus dem Urwald? Ach so, weil Ihnen die Affen immer wieder den Strom abstellen. Das ist leider nicht so, denn ich vermute Sie wissen es in der Zwischenzeit besser. Der Strom kommt aus der Steckdose. Genau, von dort kommt er und Sie brauchen nicht mehr zu wissen. Ab und zu sollten Sie die Rechnung bezahlen, die Ihnen das Elektrizitätswerk sendet. Sonst könnte man Ihnen den Strom abdrehen. Nur, Affen arbeiten dort nicht, denn beim Umgang mit elektrischem Strom sollte man einen wachen Kopf haben.

Wir hier wollen uns nicht mit Rechnungen und Energiekonzernen herumplagen und betrachten den elektrischen Stromkreis anhand der Energieversorgung einer Eisenbahn in Mitteleuropa. Welche das letztlich genau ist, lassen wir so stehen. Es spielt eigentlich keine Rolle, wo wir diese Anlagen betrachten, denn Sie sind mit wenigen Abweichungen überall gleich aufgebaut. Im Gegenteil, es kommt noch einfacher, denn auch für Sie wird es spannend werden.

Unterschiede zur Elektrizität in Ihrem Haus gibt es eigentlich nicht, denn alle grundlegenden Baugruppen und Werke gibt es auch beim Stromnetz, das Ihr Haus versorgt. Sie können, falls Sie das wollen, die hier gemachten Angaben auch auf diesen Bereich übertragen. Es wird bei Ihnen nur noch eine später Stufe eingebaut, die es bei der Eisenbahn nicht gibt. Ich lasse Sie aber nicht im Stich, denn ich werde das kurz erwähnen.

Damit Sie sich ein Bild machen können, erkläre ich, wie weit wir in diesem Kapitel gehen werden. Wir betrachten, wie Elektrizität erzeugt wird und wie man sie überträgt. Bei Ihnen zu Hause wäre das der Weg bis zur Steckdose. Den Staubsauger, den Sie dort anschliessen, bezeichnen die Eisenbahnen als Lokomotiven. Aus einer Steckdose wird somit eine Fahrleitung. Alles andere ist fast identisch und soll nun betrachtet werden.

Elektrizität wird in einem Kraftwerk erzeugt. Sie nennen es vermutlich auch Elektrizitätswerk. Warum tun Sie das? Genau, weil es auf der Rechnung steht, denn die kommt vom Elektrizitätswerk Hintertupflingen. Ich spreche hier von einem Kraftwerk, denn so werden die Anlagen auch genannt und der Name passt ganz gut. Im Kraftwerk wird Strom hergestellt. Nur geht das denn überhaupt, kann man Strom einfach so herstellen? Man kann ihn erzeugen, aber eigentlich nicht herstellen.

Grundsätzlich muss in einem Kraftwerk die elektrische Energie erzeugt werden. Dazu benötigt man jedoch Energie. Woher die kommt, sehen wir anschliessend an, denn hier erzeugen wir die Elektrizität und das geht eigentlich nur mit Bewegung. Mit Batterien geht das auch, aber wir wollen eine fortlaufende Erzeugung haben und dazu benötigen wir eine drehende Bewegung. Diese Bewegung erzeugt letztlich die elektrische Energie. Welches System das ist, lassen wir im Moment so stehen.

Erzeugt wird die Elektrizität in einem Generator mit elektrischen Leitungen und kräftigen Magnetfeldern. Wie letztlich diese Magnetfelder erzeugt werden, lassen wir hier so stehen, denn dies hängt von der Konstruktion ab. Man kann die Magnetfelder elektrisch erzeugen, nur benötigt man dann bereits Elektrizität. Einfacher geht es mit einem einfachen permanenten Magneten. Moderne Kraftwerke arbeiten mit elektrischen Spulen, da sie besser arbeiten.

In diesem Magnetfeld wird nun die rotierende Welle gedreht. Auf dieser Welle sind elektrische Leitungen vorhanden, die nun durch diese Drehung im Magnetfeld elektrische Energie erzeugen. Durch die Magnetfelder wird die Welle jedoch abgebremst, so dass man immer neue mechanische Energie zuführen muss. Daher entsteht aus mechanischer Energie, elektrische Energie, die dann genutzt werden kann. Wir haben Strom erzeugt. Zwar sehr primitiv, aber im Prinzip richtig.

Bei diesem Generator entsteht normalerweise Wechselstrom. Die Frequenz, die nun entsteht, hängt vom Aufbau des Generators ab. Die Anzahl der Magnete hat einen direkten Einfluss auf die Frequenz.

Geregelt wird die Frequenz durch die Drehzahl der rotierenden Welle. Damit kann man die Frequenz sehr fein regulieren, denn die eingestellte Drehzahl bleibt konstant und wird immer wieder neu justiert. Wie gross der Einfluss der Drehzahl ist, lässt sich an einem Beispiel erklären.

Einige Bahnen arbeiteten mit einer Frequenz von 16 2/3 Hertz. Sehen Sie, nun ist es wichtig, dass Sie sich vorher durch die Theorie gekämpft haben, denn die käme jetzt.

Nach dem es zu Störungen mit modernen Umrichterlokomotiven kam, musste diese Frequenz geändert werden. Neu sollte eine Frequenz von 16.7 Hertz gelten.

Damit musste die Geschwindigkeit der Rotoren leicht geändert werden. Einen grossen Umbau im Kraftwerk gab es deswegen jedoch nicht.

Alle bekannten Kraftwerke arbeiten mit einer Ausnahme nach diesem Prinzip. Die Ausnahme sind Kraftwerke, die aus der Sonne Energie erzeugen. Doch am besten betrachten wir nun einige Kraftwerke und die grundlegende Funktion. Ob nun ein Kraftwerk Vorteile hat oder nicht, lassen wir hier stehen, denn das sind umfangreiche Diskussionen, die ich nicht weiter anheizen will. Die Reihenfolge ist dabei alphabetisch gewählt worden und es gibt keine Favoriten.

Atomkraftwerk: In einem Atomkraftwerk, oder Kernkraftwerk, wird die Energie durch die Spaltung von Atomen gewonnen. Durch die Spaltung der Atome entsteht grosse Energie, die in Form von Strahlung und Wärme in Erscheinung tritt. Die Strahlung kann nicht zur Erzeugung der Energie genutzt werden. Sie muss im Gehäuse zurück gehalten werden, so dass dieser Vorgang in einem geschlossenen Reaktor erfolgt. Die Strahlung ist daher ein Abfallprodukt und gleichzeitig das grösste Problem dieser Kraftwerke.

Zur Erzeugung der elektrischen Energie benutzt man die Wärme. Diese Wärme ist so gross, dass sogar Gestein schmelzen könnte. Daher muss man diesen Reaktor kühlen. Die Kühlung erfolgt dabei mit Wasser. Dieses wird zugeführt und verdampft dabei. Die im Dampf enthaltene Energie wird anschliessend in einer Turbine  dazu genutzt eine Welle anzutreiben. Mit dieser Welle kann dann Elektrizität erzeugt werden.

Ach noch einen kleinen Hinweis. Auch wenn es auf dem Markt so schöne Geräte gibt, die Atomströme von anderem Strom trennen, dem Strom sieht man seine Herkunft nicht an. Der Strom wird im Atomkraftwerk mit Wasserdampf erzeugt und solchen Wasserdampf kann man auch auf andere Weise erzeugen. Daher Strom ist Strom, aber wenn es Ihre Nerven beruhigt, kaufen Sie ruhig ein solches Gerät. Der Hersteller dankt Ihnen sicher.

Kohlekraftwerk: Grundsätzlich funktioniert ein Kohlkraftwerk ähnlich wie ein Atomkraftwerk. Hier wird Kohle verbrannt und die dabei entstehende Wärme mit Wasser gekühlt. Dieses wiederum verdampft. Der weitere Verlauf des Kohlekraftwerkes ist dann gleich und unterscheidet sich nicht von einem Atomkraftwerk. Hier wendet man einfach das Prinzip der Dampflokomotiven an.

Bei Kohlekraftwerken entstehen grosse Mengen Kohlendioxyd, das an die Umwelt abgegeben wird. Dieses Gas ist wiederum als Klimagas bekannt geworden. Kohledioxyd fördert den Treibhausdefekt, vor dem uns viele Wissenschaftler warnen. Daher sind solche Kraftwerke auch nicht als unbedenklich einzustufen. Klar Kohlendioxyd ist nicht so schlimm wie die Radioaktivität. Nur sollte man ein AKW nicht gleich durch ein Kohlekraftwerk ersetzen.

Das Kohlekraftwerk soll hier als Beispiel für alle Kraftwerke dienen, die Energie mit Hilfe eines Feuers, das aus Verbrennung eines Stoffes entsteht, erzeugen. Darunter fallen auch Kraftwerke, die mit Gas oder Öl betrieben werden. Gerade beim Öl oder Gas könnte man natürlich auch einen Motor zum Antrieb der Welle benutzen, aber die Lösung mit der Wärme wird auch hier als Ergänzung angewendet. Letztlich erzeugen aber auch diese Kraftwerke Kohlendioxyd, das an die Umwelt abgegeben wird.

Solarkraftwerk: Solarkraftwerke sind neu und sie arbeiten mit der Kraft der Sonne. Diese Sonne wird dabei auf zwei Arten genutzt. So gibt es Kraftwerke, die mit Hilfe der Sonne Wasser erwärmen und dann ähnlich, wie die vorher erwähnten Kraftwerke den Dampf nutzen. Diese Lösung wird auch bei kleinen Anlagen im Bereich der Häuser oft verwendet. Die Anlagen hier haben kaum Nachteile.

Man nutzt die Sonne, die natürliche Wärmequelle der Erde. Gerade bei den Kraftwerken, die mit der Wärme arbeiten, können durchaus Temperaturen entstehen, die jenen eines Atomkraftwerks entsprechen. Jedoch entstehen hier keine Abgase oder Radioaktivität. Andererseits wird der entspannte Wasserdampf an die Umwelt abgegeben. Wasserdampf ist ebenfalls ein Klimagas. Er regnet zwar ab, aber heizt die Luft auch auf.

Bei der zweiten Anlage wird die Energie mit speziellen Solarzellen erzeugt. Dabei reagieren diese Zellen auf das Licht. Es wird ein elektrischen Signal erzeugt. Hier erfolgt die Erzeugung der elektrischen Energie also direkt durch die Sonne. Es entsteht dabei jedoch Gleichstrom. Solarzellen haben sich im Bereich von Kleinkraftwerken durchgesetzt. Sie haben keine Nachteile und man bemängelt nur die Farbe der Solarzellen, aber das ist Geschmackssache.

Wasserkraftwerk: Wasser hat eine sehr grosse Kraft. Besonders dann, wenn es Differenzen in der Höhe gibt. Daher nutzte man schon sehr früh die Kraft des Wassers zur Erzeugung von Elektrizität. Dazu staute man einen Fluss und liess das Wasser durch eine Turbine laufen. Dadurch entstand eine rotierende Bewegung, die dann direkt zur Erzeugung von Elektrizität genutzt wurde.

Übernommen hatte man dieses Prinzip von den mit Wasserrad betriebenen Mühlen, die es überall gab. Wasserkraftwerke können jedoch nur dort gebaut werden, wo genug Wasser zur Verfügung steht. Vorteilhaft hat man auch eine entsprechende Höhendifferenz, die hilfreich ist. Daher entstehen solche Kraftwerke eher in den gebirgigen Regionen und weniger an der Küste, wo der Strom eigentlich benötigt wird. Lange Transportwege sind die Folge.

Die Wasserkraftwerke gelten als schonende Werke, denn es entsteht weder Strahlung oder Kohlendioxyd, noch wird Wärme erzeugt. Jedoch stören die Staumauern und die Werke den Fluss und die darin lebenden Lebewesen, wie Fische. Auch Landschaften werden durch die entstehenden Seen verändert. Trotzdem sind diese Kraftwerke sehr umweltbewusst und arbeiten zuverlässig. Natürlich ist die verschwundene Natur ein Verlust, den man bei diesen Anlagen in Kauf nehmen muss.

Windkraftwerk: Jeder Sturm beweist, dass Wind eine sehr grosse Kraft hat. Um diese Kraft zu nutzen muss man den Wind jedoch haben und das ist meistens auf Meeren und in hohen Lagen der Fall. Der Wind wird dabei so an einem Propeller vorbei geführt, dass sich dieser dreht. Das Bild von der Siedlung im Western, die ein Windrad hat, das quietschend im Wind dreht, kennt vermutlich jeder.

Wir haben die drehende Bewegung, die dann elektrische Energie erzeugen kann. Bekannt sind diese Anlagen schon lange, doch erst seit kurzer Zeit werden sie im grossen Stil angewendet. Sie gelten als die Kraftwerke der Zukunft, da sie noch keinen bekannten Einfluss auf die Natur haben. Wobei das durchaus nicht sicher bestätigt werden kann, denn falsch platzierte Windräder können Leute in ihrer Lebensqualität beschränken.

Auch hier gibt es Nachteile, die nicht unerwähnt bleiben dürfen. Wie bei der Wasserkraft, werden die Anlagen allgemein als störend empfunden. Die rotierenden Propeller werfen Schatten, die den Menschen stören können. Wie weit sich diese Anlagen jedoch auf den Wind und dessen Geschwindigkeit auswirkt, weiss man noch nicht, aber Windkraftanlagen sind weitherum zu sehen, was viele Leute stört. Zudem arbeiten diese Anlagen nur bei bestimmtem Wind optimal und nicht dauernd.

Zwar haben wir nun die Elektrizität. Diese ist aber im Kraftwerk, wo wir sie nicht gebrauchen können. Daher muss man die Elektrizität übertragen oder transportieren. Man kann Elektrizität nicht in Flaschen oder Schachteln abgepackt transportieren, denn man kann sie nicht einfangen und nur schwer speichern. Daher musste man eigene Transportmittel für die Elektrizität einführen. Diese transportieren nun die Elektrizität über grosse Distanzen.

Transportiert wird Elektrizität in Stromnetzen. Stromnetze sind festgelegte Bereiche, die für das gewählte System bereit stehen. Man kann daher ein Netz, das für das Land erzeugt wurde, nicht mit dem Netz für Bahnstrom kombinieren. Jedes Netz benötigt seine eigenen Leitungen. Wir hier verfolgen das Bahnnetz, das sich nicht vom Landesnetz unterscheidet. Diese Netze teilen sich zudem in verschiedene Bereiche auf, was dann Teilnetze ergibt.

Zuerst hatten wir das Kraftwerk. Es erzeugte unsere Energie und die muss nun an den Verbraucher übertragen werden. Dazu müssen zwei Leiter verwendet werden. In einem Leiter wird die Elektrizität zum Kunden transportiert. In der anderen Leitung fliesst sie wieder zurück zum Kraftwerk. Elektrische Energie wird daher automatisch wiederverwertet. Daher ist ein Stromnetz vorhanden, das mindestens zwei Leitungen hat.

Freileitung: Dazu benötigt man Kabel oder frei in der Luft hängende Leitungen. Beides ist möglich. Was, Sie fürchten sich vor den Leitungen in der Luft? Sie meinen, die elektromagnetischen Felder sind gigantisch? Ist gut, dann vergrabe ich in Ihrem Garten ein Kabel. Die Leitung ist weg und kann daher auch keinen Schaden anrichten. Ein Kabel strahlt jedoch die stärkeren Magnetfelder aus, als eine Freiluftleitung. Nur sieht diese Freiluftleitung halt nicht so chic aus.

Diese Leitungen haben Sie sicherlich schon überall gesehen. Die Kabel sind an Masten aufgehängt und durchschneiden die Landschaft. Es gibt dabei hohe und niedere Masten.

An dem Masten hängen unterschiedliche Leitungen und erst noch mehr, als ich erwähnt habe. Das ist so, denn die Transportwege können sich Bahnstrom und Landesnetz teilen, sie benötigen einfach eigene Leitungen, die aber an den gleichen Masten aufgehängt werden können.

Ob es bei den Masten einen Unterschied gibt? Ja den gibt es, denn die Leitungen sind nicht isoliert und müssen daher in einer sicheren Höhe angebracht werden. Sie wissen ja, Luft ist ein mittelmässiger Isolator. Sie müssen wissen, je höher eine Leitung ist, desto höher ist die Spannung in diesem Netz.

Das ist auch der Grund, warum Sie bei solchen Leitungen keine Drachen steigen lassen sollten. Sonst kommen Sie der Leitung kaum zu nahe. Es sei denn, Sie sind so blöd und klettern einen Masten hoch.

Man nennt die Spannung in diesen Leitungen Netzspannung. Diese unterscheidet sich nur in den Werten von jener Spannung, die Sie haben. In den Leitungen wird zudem Wechselstrom übertragen, weil man diesen in beliebig hohe Spannungen umformen kann.

Die Verluste in den Leitungen sind jedoch gross und so versucht man neue Lösungen, die weniger Verluste erzeugen. Die Verluste in den Leitungen sind wirklich hoch, so dass man andere Lösungen sucht. Hier bietet sich der Gleichstrom an, nur muss dieser auch hohe Spannungen aufweisen.

Im Kraftwerk war die Spannung noch sehr klein. Sie wurde für den Transport erhöht. In den Übertragungsleitungen, die über grosse Distanzen geführt werden, ist sie um einiges höher.

In Leitungen, die durch halb Europa geführt werden, kommen Spannungen von bis zu 500'000 Volt zur Anwendung. Die meisten Leitungen in einem Land haben aber 132'000 oder 60'000 Volt. Es hängt davon ab, wie weit man die Energie transportieren muss. Je höher die Spannung, desto geringer der Verlust.

Das sind Werte, mit denen ich Sie beeindrucken wollte, denn wissen müssen Sie das nicht, diese Leitungen sind im Boden oder weit oben in der Luft, da kann nichts passieren. Es sei denn, der Blitz schlägt in diese Leitung ein, dann hat die Leitung, das Kraftwerk und Sie ein grosses Problem. Der Blitz hat eine wesentlich höhere Leistung, als das in der Leitung zulässig ist. Dadurch kommt es in der Leitung zu Überlastungen. Sie muss zum Schutz abgeschaltet werden.

Die Schutzschaltungen der jeweiligen Netze sprechen bei einem Blitzeinschlag an und schalten das betroffene Netz aus. Es gibt einen Stromausfall. Diese Stromausfälle gibt es bei Gewittern immer wieder und die Folgen tragen nicht nur Sie, denn auch ein Kraftwerk hat daran wenig Freude. Besonders dann, wenn es direkt betroffen ist und vom Netz getrennt wurde. Damit die Versorgung zuverlässig funktioniert, steht eine alternative Leitung zur Verfügung. Sie merken vom Einschlag nicht viel.

Auch die Eisenbahn kennt das Problem, da spielt es keine Rolle, welches Netz es ist, der Blitz sucht sich eine Leitung aus und schlägt ein. Im Jahr schlagen sehr viele Blitze in die Freileitungen der unterschiedlichen Netze ein. Sie bemerken davon meistens nichts. Diese Störungen hat man soweit in den Griff bekommen, dass zumindest für Sie das Gewitter den Schrecken verloren hat. Trotzdem müssen diese unterschiedlichen Spannungssysteme angepasst werden.

Das Unterwerk: Die Spannung aus der Übertragungsleitung wird einem Unterwerk zugeführt. Das Unterwerk hat dabei die Aufgabe, die hohe Spannung aus dem Übertragungsnetz in eine für den Verbraucher oder für die Region spezielle Spannung umzuwandeln. Die Unterwerke haben neben der Umformung der Elektrizität auch den Auftrag unabhängige Speisezonen zu schalten. Damit wird verhindert, dass ein Kurzschluss weitreichende Folgen hat.

Man nennt solche Abschnitte auch Speisepunkte. Dabei ist jeder Speisepunkt von den anderen Bereichen unabhängig. Entsteht nun in einem solchen Netz ein Kurzschluss, schaltet nur dieses aus, die anderen Netze betrifft das nicht.

Es fällt daher nur in einem Quartier der Strom aus. Man kann den Schaden also in Grenzen halten. Das stellten Sie vielleicht beim letzten Gewitter fest, als bei Ihnen der Strom ausgefallen war und zwei Strassen weiter gab es Elektrizität.

Erst jetzt kommt in der Regel Ihr Elektrizitätswerk zum Einsatz. Diese gehören oft einer Gemeinde oder einem regionalen Stromanbieter, der nun die für Sie gedachte Spannung bereitstellt.

Er verkauft also  nur den Strom vom Kraftwerk weiter und ist somit nur ein Zwischenhändler.

Die Kraftwerke gehören oft den grossen Stromkonzernen. Diese mächtigen Firmen verkaufen wiederum die Elektrizität Ihrem Elektrizitätswerk. Natürlich gibt es Gemeinden, wo das nicht stimmt, aber oft ist es so.

Jetzt gibt es Unterschiede von der Bahn zum Landesnetz. Bei der Eisenbahn wird die Spannung vom Unterwerk direkt dem Verbraucher zugeführt. Bei Ihnen kommt nun die Spannung vom Unterwerk in Ihr Quartier. Diese ist noch nicht für den Endverbraucher geeignet. Daher wird sie im Quartier in einer Trafostation noch einmal verringert. Nun kommt die Energie aus dem Kraftwerk bei Ihnen an und Sie können diese nun nutzen.

Damit beenden wir den Weg durch die Übertragung und somit auch die Versorgung der Fahrleitung. Der Grund ist einfach, denn wir sind nun bei der Fahrleitung angelangt. Die Theorie hat sich soweit gelohnt, dass wir wussten, von was gesprochen wird. Mit der Fahrleitung kommen wir aber zu einem neuen Bereich, der sich in einem eigenen Kapitel zeigen wird. Ich kann Sie daher bei den Fahrleitungen begrüssen.