Wie das Stromnetz entstand
Nichts am heutigen Netz war zwangsläufig. Seine Spannung, seine Frequenz, seine Eigentumsform und selbst die Vorstellung, dass alle angeschlossen sein sollten, waren jeweils umstritten und wurden aus einer Mischung von Physik, Geschäft und Politik entschieden, die im Verhalten heutiger Netze noch sichtbar ist.
Warum sich der Wechselstrom durchsetzte
Edisons System lief mit Gleichstrom bei etwa 110 Volt, der Spannung, die eine Kohlefadenlampe brauchte. Diese Beschränkung bestimmte alles Weitere. Der Verlust in einem Kabel steigt mit dem Quadrat des Stroms, sodass nennenswerte Leistung bei 110 Volt große Ströme bedeutet und damit dickes Kupfer und schwere Verluste über Entfernung. Pearl Street konnte rund einen Kilometer versorgen, und das dahinterliegende Modell war ein Kraftwerk alle paar Straßen.
Die Alternative war, bei hoher Spannung und kleinem Strom zu übertragen und nahe beim Kunden herunterzuspannen. Ein Transformator leistet das ohne bewegte Teile und mit sehr geringem Verlust - und ein Transformator funktioniert nur mit Wechselstrom, weil er ein sich änderndes Magnetfeld braucht. Diese eine physikalische Tatsache entschied den Streit.
Der Streit der späten 1880er und der 1890er Jahre, zwischen Edisons Interessen und dem Lager um Westinghouse und Tesla, wurde teils über die Sicherheit und teils über öffentliche Vorführungen geführt, die Wechselstrom tödlich erscheinen lassen sollten. Entschieden wurde er kaufmännisch statt rhetorisch: das Projekt an den Niagarafällen wählte in den 1890er Jahren Wechselstrom, weil nichts anderes die Leistung die gut dreißig Kilometer nach Buffalo bewegen konnte.
Gleichstrom war nicht falsch, nur zu früh. Moderner Hochspannungs-Gleichstrom, der Leistung heute über kontinentale Entfernungen und unter Meeren trägt, wurde erst praktikabel, als Leistungselektronik zwischen Gleich- und Wechselstrom effizient umrichten konnte - eine Fähigkeit, die es 1890 nicht gab.
Von vielen kleinen Kraftwerken zu einer Maschine
Die frühe Elektrizität war ausgesprochen örtlich. Städte hatten mehrere konkurrierende Gesellschaften, mitunter mit verschiedenen Spannungen und Frequenzen in benachbarten Straßen, und große Fabriken, Hotels und Krankenhäuser erzeugten ihren Strom selbst.
Die Zusammenlegung geschah, weil sich Größe zweifach auszahlte. Größere Erzeugungseinheiten sind je Einheit effizienter, und ein größerer Kundenstamm hat eine glattere Gesamtnachfrage - eine Fabrik, die einen Motor anwirft, ist für ein kleines System ein Schlag und für ein großes unsichtbar. Beides drängt zu weniger, größeren Kraftwerken für weitere Gebiete, und das ist dasselbe statistische Argument, das heute die Kupplung rechtfertigt.
Damit entstand ein Problem, das vorher niemand hatte. Ein Netz ist ein natürliches Monopol: die Leitungen zu verdoppeln ist widersinnig, also kann verlangen, was er will, wem sie gehören. Jedes Land beantwortete das auf eine von drei Weisen - kommunales Eigentum, staatliches Eigentum oder privates Eigentum unter einer Regulierung, die zulässige Renditen setzt. Die meisten Industrieländer versuchten im zwanzigsten Jahrhundert mindestens zwei davon, und mehrere sind die Runde mehr als einmal gegangen.
Die technische Antwort auf das Monopol kam viel später. Sobald sich Erzeugung von den Leitungen trennen ließ, konnten Erzeuger konkurrieren, während das Netz reguliert blieb - das ist der Aufbau hinter modernen Strommärkten. Die Leitungen bleiben ein Monopol, weil sich die Physik nicht geändert hat.
Die Entscheidung, alle anzuschließen
Eine Stadt anzuschließen ist einträglich. Einen Hof am Ende einer zehn Kilometer langen Leitung mit einigen hundert Watt anzuschließen ist es nicht, und kein privater Versorger hat sich irgendwo freiwillig dafür gemeldet.
Die Vereinigten Staaten machten das 1935 mit der Rural Electrification Administration ausdrücklich, die an Genossenschaften verlieh statt an die Versorger, die die Arbeit abgelehnt hatten. 1935 hatte etwa jeder zehnte Hof Strom; Anfang der 1950er Jahre die große Mehrheit. Frankreich, Großbritannien, die nordischen Länder und später China fuhren je eigene Fassungen mit anderen Einrichtungen und derselben zugrunde liegenden Entscheidung: die Versorgung sollte allgemein sein und die Kosten geteilt werden.
Der Mechanismus verdient eine genaue Benennung, weil er wiederkehrt. Die Vollversorgung wird durch Quersubventionierung bezahlt - städtische Kunden zahlen etwas mehr, als ihre Versorgung kostet, damit ländliche weniger zahlen können. Das ist eine bewusste Umverteilung im Tarif, und wo sie beseitigt wurde, stagnierten die ländlichen Anschlussquoten.
Diese Geschichte ist der unmittelbare Vorfahr des heutigen Energiezugangs. Die Länder mit 700 Millionen Unversorgten stehen vor derselben Rechnung wie der amerikanische Mittlere Westen 1930. Geändert hat sich, dass Photovoltaik und Batterien heute einen Weg bieten, der die Leitung gar nicht erst verlangt, und das ist eine wirklich neue Möglichkeit und keine günstigere Fassung der alten.
Die Zufälle, mit denen wir leben
Vieles am Netzentwurf ist nicht optimal, sondern lediglich zuerst da gewesen. Fünfzig und sechzig Hertz funktionieren beide; die Spaltung besteht, weil AEG in Deutschland fünfzig und Westinghouse in den Vereinigten Staaten sechzig wählte und jedes seine Technik in seinen Einflussbereich ausführte. Japan wurde von beiden beliefert und fährt bis heute im Osten fünfzig und im Westen sechzig Hertz, verbunden über Umrichter.
Stecker- und Steckdosennormen zersplitterten auf dieselbe Weise, ebenso die Verteilnetzspannungen - 230 Volt in weiten Teilen der Welt, 120 in Nordamerika, letztere ein Nachkomme von Edisons Lampenfaden. Nichts davon lässt sich heute ändern, weil die Kosten der gesamte Gerätebestand eines Landes wären.
Das tiefere Erbe ist die Topologie. Netze wurden gebaut, um Leistung von wenigen großen Kraftwerken nahe Kohle, Wasser oder Kühlung nach außen zu verteilten Verbrauchern zu bewegen. Diese sternförmige Struktur ist genau falsch für Erzeugung, die dort steht, wo der Wind weht oder die Sonne scheint, weshalb sich Engpässe und Abregelung auf bestimmte Korridore ballen statt gleichmäßig aufzutreten.
Die nützliche Lehre ist, dass Infrastrukturentscheidungen ihre Begründung um ein Jahrhundert und mehr überleben. Die Entscheidungen, die heute darüber fallen, wo Leitungen verlaufen, was Umrichter können müssen und ob dezentrale Erzeugung mitgedacht wird, prägen noch das Mögliche, wenn die Argumente, die sie hervorbrachten, längst vergessen sind.
Häufige Fragen
Warum schlug der Wechselstrom den Gleichstrom?
Weil die Übertragung über Entfernung hohe Spannung und kleinen Strom verlangt und das effiziente Ändern der Spannung einen Transformator braucht - der nur mit Wechselstrom arbeitet, weil er ein sich änderndes Magnetfeld voraussetzt. Edisons Gleichstromsystem konnte etwa einen Kilometer um seine Station versorgen.
Warum legten sich kleine örtliche Stromgesellschaften zusammen?
Weil sich Größe zweifach auszahlte: größere Erzeugungseinheiten sind je Einheit effizienter, und ein größerer Kundenstamm hat eine glattere Gesamtnachfrage, denn eine Fabrik, die einen Motor anwirft, erschüttert ein kleines System und ist für ein großes unsichtbar. Dasselbe statistische Argument rechtfertigt heute die Kupplung zwischen Ländern.
Wer entschied, dass alle Strom haben sollen?
Regierungen, nicht Versorger. Abgelegene Kunden anzuschließen rechnete sich nie und wurde überall vorgeschrieben oder gefördert - in den Vereinigten Staaten ab 1935 über die Rural Electrification Administration, die an Genossenschaften verlieh, nachdem private Versorger die Arbeit abgelehnt hatten.
Warum gibt es Netze mit 50 und mit 60 Hertz?
Weil AEG in Deutschland fünfzig und Westinghouse in den Vereinigten Staaten sechzig wählte und jedes seine Technik in seinen Einflussbereich ausführte. Japan wurde von beiden beliefert und fährt bis heute im Osten fünfzig und im Westen sechzig Hertz, über Umrichter verbunden. Keines ist technisch überlegen.
Wie wirkt die Netzgeschichte heute auf die Erneuerbaren?
Netze wurden sternförmig gebaut, um Leistung von wenigen großen Kraftwerken nahe Kohle, Wasser oder Kühlung nach außen zu verteilten Verbrauchern zu bewegen. Diese Struktur passt schlecht zu Erzeugung dort, wo der Wind weht oder die Sonne scheint, weshalb sich Engpässe und Abregelung auf bestimmte Korridore ballen.
