Grundlagen der elektrischen Energieversorgung - Cheatsheet

Ohmsches Gesetz und Kirchhoffsche Regeln

Definition:

Ohmsches Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand. Kirchhoffsche Regeln dienen zur Analyse von elektrischen Netzwerken.

Details:

• Ohmsches Gesetz: \[ U = R \times I \]
• U: Spannung in Volt (V)
• R: Widerstand in Ohm (Ω)
• I: Strom in Ampere (A)
• Kirchhoffsche Knotenregel (KCL): Summe der Ströme an einem Knoten ist Null \[ \sum I = 0 \]
• Kirchhoffsche Maschenregel (KVL): Summe der Spannungen in einer geschlossenen Schleife ist Null \[ \sum U = 0 \]

Hochspannungsübertragung und Verlustleistung

Definition:

Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen mit hohen Spannungen zur Reduzierung von Übertragungsverlusten.

Details:

• Verlustleistung: \( P_{V} = I^2 \times R \)
• Reduktion der Verlustleistung durch Hochspannung, da \( P = U \times I \) und \( P_{V} \) proportional zu \( I^2 \)
• Spannungserhöhung mittels Transformator am Ausgang, Spannungssenkung mittels Transformator am Empfangsort
• Typische Spannungsbereiche: Hochspannung (1 kV - 52 kV), Höchstspannung (über 52 kV)
• Isolationsanforderungen und Sicherheitsmaßnahmen aufgrund hoher Spannungen

Transformatoren und Umspannwerke

Definition:

Transformatoren sind Geräte, die Wechselspannung und -strom auf höhere oder niedrigere Werte transformieren. Umspannwerke verbinden verschiedene Spannungsniveaus im Stromnetz.

Details:

• Transformatorengleichung: \( \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} \)
• Umspannwerk: Knotenpunkt im Übertragungsnetz
• Primär- und Sekundärspannung: \( U_1, U_2 \)
• Wicklungszahlen: \( N_1, N_2 \)
• Energieeffizienz und Wärmeverlust
• Starkstrom- und Schwachstromnetze

Integration von erneuerbaren Energien ins Stromnetz

Definition:

Einspeisung und Nutzung von Energiequellen wie Wind, Solar und Biomasse im bestehenden Stromnetz.

Details:

• Fluktuation: Hohe Variabilität der Einspeisung, Wetterabhängigkeit.
• Flexibilität: Bedarf an flexibler Erzeugung und Speichermöglichkeiten.
• Netzstabilität: Herausforderungen bei Frequenz- und Spannungsregelung.
• Smart Grids: Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien zur Steuerung und Optimierung.
• Dezentrale Einspeisung: Energieerzeugung erfolgt lokal, z.B. durch PV-Anlagen auf Dächern.
• Leistungsausgleich: Regel- und Reservekraftwerke balancieren Erzeugung und Verbrauch.
• Gesetzliche Rahmenbedingungen: EEG und weitere Regelungen fördern erneuerbare Energien.

Smart Grids und moderne Netztechnologien

Definition:

Intelligente Stromnetze zur automatischen Steuerung, Überwachung und Optimierung der Stromversorgung

Details:

• Erhöhte Zuverlässigkeit und Effizienz
• Echtzeit-Datenübertragung und -analyse
• Integration erneuerbarer Energien
• Erweiterte Netzsicherheit und Fehlererkennung
• Verwendung von IoT, Sensoren und Kommunikationsprotokollen
• Förderung von Prosumern (Verbraucher und Produzenten)
• Lastmanagement und Nachfrageregelung

Batteriespeicher und Wasserstoff als Speichertechnologie

Definition:

Batteriespeicher und Wasserstoff als Speichertechnologie sind Methoden zur Speicherung überschüssiger Energie in der elektrischen Energieversorgung.

Details:

• Batteriespeicher: Effiziente Speicherung und schnelle Bereitstellung von Energie, hohe Investitionskosten
• Effizienz: \( \text{Wirkungsgrad} \, (\text{Batteriespeicher}) = \frac{\text{abgegebene Energie}}{\text{aufgenommene Energie}} \)
• Wasserstoff: Nutzung von überschüssigem Strom zur Elektrolyse von Wasser, Speicherung in Drucktanks oder unterirdischen Kavernen
• Formel für Elektrolyse: \( 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \text{H}_2 + \text{O}_2 \)
• Brennstoffzellen: Rückverwandlung zu elektrischem Strom, niedriger Wirkungsgrad im Vergleich zu Batteriespeichern \( \text{Wirkungsgrad} \, (\text{Brennstoffzelle})= \frac{\text{Output}}{\text{Input}} \)
• Einsatzgebiete: Dezentrale Energiespeicherung, Netzstabilität, Integration erneuerbarer Energien

Wechselstrom- und Gleichstromsysteme

Definition:

Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) unterscheiden sich in der Art und Weise, wie Strom durch Leiter fließt.

Details:

• Wechselstrom: Stromrichtung und -stärke wechseln periodisch, typischerweise sinusförmig.
• Gleichstrom: Strom fließt konstant in eine Richtung.
• Formeln:
• Wechselstrom: \(I(t) = I_{max} \sin (\omega t)\)
• Gleichstrom: \(I = konstant\)
• Verwendung:
• Wechselstrom: Haushalte, industrielle Anwendungen
• Gleichstrom: Batterien, elektronische Geräte
• Wechselstrom hat gegenüber Gleichstrom Vorteile bei der Übertragung über lange Strecken (niedrigere Verluste).

Grundlagen der elektromagnetischen Felder und deren Anwendung

Definition:

Grundlagen der elektromagnetischen Felder und deren Anwendung umfassen die physikalischen Prinzipien, die das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben und wie diese in der elektrischen Energieversorgung eingesetzt werden.

Details:

• Maxwellsche Gleichungen: Grundgleichungen der Elektrodynamik, beschreiben die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern
• Elektromagnetische Wellen: Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\)
• Elektrostatik: Coulombsches Gesetz \(F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}\)
• Magnetostatik: Biot-Savart-Gesetz und Ampèresches Gesetz \(\oint\mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I\)
• Elektromagnetische Induktion: Faradaysches Gesetz \(\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}\)
• Anwendungen: Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren, drahtlose Energieübertragung