AC vs. DC, wer wird gewinnen?

Vor über 100 Jahren besiegte Teslas Wechselstrom Edisons Gleichstrom und machte Wechselstrom für Tausende von Haushalten verfügbar. Wenn wir es heute noch einmal vergleichen, hat Wechselstrom immer noch einen Vorteil gegenüber Gleichstrom?

Zunächst einmal sagen wir, dass der Hauptgrund für die Eliminierung von Gleichstrom der übermäßige Leistungsverlust in der Leitung ist. Die Übertragung von Elektrizität über große Entfernungen mit Niederspannungsnetzen wie 110 V ist sehr kostspielig.

Wenn sich beispielsweise die Übertragungsdistanz vergrößert, erhöht sich der äquivalente Widerstand R der Leitung entsprechend und auch der Leitungsverlust nimmt zu. Teilweise kann der Leitungsverlust sogar über 50 % betragen. Das heißt, wenn das Kraftwerk 1.000 W Strom erzeugt, erhält der Verbraucher möglicherweise nur 500 W Strom und die anderen 500 W gehen in der Übertragungsleitung verloren. Solche Verluste sind für jedes Kraftwerk inakzeptabel.

Im 19. Jahrhundert konnte die Spannung bei der Gleichstromübertragung nicht sehr hoch sein, bei der Wechselstromübertragung konnte jedoch eine sehr hohe Spannung erreicht werden. Unter höheren Spannungsbedingungen ist der Leitungsverlust bei der Hochspannungs-Wechselstromübertragung deutlich geringer als bei der Niederspannungs-Gleichstromübertragung. Aus dieser Sicht war der kommerzielle Wert des Wechselstroms damals viel höher als der des Gleichstroms.

Bei der Verwendung von Gleichstrom können Benutzer in der Nähe von Kraftwerken sicher sein, dass sie eine Spannung von 110 V erhalten, während Benutzer weit entfernt von Kraftwerken möglicherweise nur 80 V erhalten, was die Leistung und Lebensdauer der Elektrogeräte erheblich beeinträchtigt.

Können wir die Spannung etwas erhöhen? Eine Erhöhung auf 140 V wird beispielsweise offensichtlich nicht funktionieren. Nach der Erhöhung der Spannung auf 140 V erhalten Verbraucher am Ende des Kraftwerks möglicherweise eine Spannung von 110 V, während Verbraucher in der Nähe des Kraftwerks eine Spannung von 140 V ertragen müssen. Diese Spannung übersteigt die Nennspannung der Elektrogeräte und führt ebenfalls zu Schäden an den Geräten und einer Verkürzung ihrer Lebensdauer. Der Schlüssel liegt darin, dass Gleichstrom keinen Transformator verwenden kann, da er ein Produkt von Wechselstrom ist.

Schließlich unterbricht die Hochspannungsübertragung den Fehlerstrom schnell, wenn ein Fehler auftritt, der einen großen Lichtbogen erzeugt. Wird dieser Lichtbogen nicht rechtzeitig gelöscht, kommt es zu schweren Schäden am Stromnetz. Wenn der Wechselstrom den Nullpunkt passiert, erlischt der Lichtbogen kurzzeitig, der Gleichstrom-Leistungsschalter kann dies jedoch nicht.

Diese Mängel führten bereits vor über 100 Jahren dazu, dass der Gleichstrom dem Wechselstrom nahezu zweifelsfrei unterlag. Obwohl Edison versuchte, die Welt durch das Elektroschockieren von Elefanten und die Erfindung des elektrischen Stuhls in Angst und Schrecken zu versetzen, konnte er sein Schicksal des Scheiterns nicht verhindern und hinterließ stattdessen einen Makel in seinem Leben.

Hat DC heute also bessere Gewinnchancen gegen AC? Ehrlich gesagt ist es immer noch schwierig zu gewinnen. Zunächst einmal sind Wärmekraftwerke und Wasserkraftwerke derzeit die wichtigsten Technologien zur Stromerzeugung. Sie alle erzeugen Wechselstrom. Auch Windkraft und Atomkraft arbeiten mit Wechselstrom. Derzeit liegen keine Meldungen über Gleichstrom vor.

Der Anteil der Gleichstrom-Windturbinen kann grundsätzlich vernachlässigt werden, vor allem weil das Stromnetz mit Wechselstrom verbunden werden muss und Gleichstrom-Windturbinen Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln müssen. Der derzeit durch Photovoltaik erzeugte Strom ist zwar nur Gleichstrom, muss aber für die Einspeisung ins Stromnetz mit Hilfe von Leistungselektronik und Energiespeichern zwischen Gleichstrom und Wechselstrom umgewandelt werden, weshalb der Wirkungsgrad bisher gering war.

Nach so vielen Jahren der Entwicklung ist die Kapazität von Wechselstromgeneratoren mittlerweile sehr groß und die Technologie der 120-MW-Ultra-Superkritischen-Einheiten zur thermischen Stromerzeugung ist bereits sehr ausgereift. Darüber hinaus erfüllen Wärmekraft und Wasserkraft nicht nur die Funktion der Stromerzeugung, sondern tragen auch zur Spitzen- und Frequenzregulierung des Stromnetzes bei. Wechselstromgeneratoren können Probleme wie Leistungsabgabe und Stromerzeugung steuern, die leichter zu lösen sind.

Aus einer Gesamtperspektive der Stromerzeugung sind die Vorteile des Wechselstroms und der im Laufe der Jahre weiterentwickelten Technologie durch den Gleichstrom nicht zu übertreffen.

Obwohl die Leistungsschalter bereits viele Male modernisiert wurden und die Technologie ziemlich ausgereift ist, sind Hochspannungs-Gleichstrom-Leistungsschalter immer noch schwer zu realisieren.

Trotz der vielen Nachteile von Gleichstrom hat er tatsächlich auch seine Vorteile. Beispielsweise sind für die Übertragung der gleichen Leistung bei Gleichstrom nur zwei Leitungen erforderlich, bei Wechselstrom hingegen drei. Dadurch werden Gleichstrom-Hochspannungsleitungen günstiger.

Darüber hinaus weisen Gleichstromleitungen weder induktive noch kapazitive Reaktanz auf, so dass kein Blindleistungsverlust auftritt. Ihre Koronaverluste und Funkstörungen sind geringer als bei Wechselstrom-Freileitungen. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, den Kurzschlussstrom des Systems zu begrenzen, eine schnelle Regelung, ein zuverlässiger Betrieb usw.

Warum wurden diese Vorteile nicht schon vor über 100 Jahren entdeckt? Dies liegt daran, dass die Technologie der elektronischen Schaltungen damals noch nicht ausgereift war und die wesentlichen Probleme des Gleichstroms nicht lösen und seine Vorteile nicht ausspielen konnte.

Mit der Einführung von Gleich- und Wechselrichtern in den 1950er Jahren rückte der Gleichstrom jedoch wieder ins öffentliche Bewusstsein. Die Länder begannen, das Problem der hohen Gleichstromleitungsverluste durch den Einsatz neuer Technologien zu lösen und erzielten dabei gewisse Ergebnisse.

Natürlich ermöglichen diese Fortschritte die Nutzung von Gleichstrom nur in wenigen Bereichen und reichen nicht aus, um die Stellung des Wechselstroms zu erschüttern. Der Hauptanwendungsbereich von Gleichstrom liegt derzeit in der Hochspannungsübertragung über große Entfernungen. Nach dem Aufkommen der Ultrahochspannungstechnologie in meinem Land wurden im ganzen Land etwa 20 Gleichstromleitungen hinzugefügt.

Was das derzeitige Stromnetz betrifft, so besteht bei der Hochspannungsstromübertragung eine Situation, in der Wechselstrom und Gleichstrom nebeneinander existieren und sich ergänzen, der Stromverbrauch jedoch noch immer hauptsächlich aus Wechselstrom besteht, und dies dürfte auch der zukünftige Entwicklungstrend sein.