Was ist Gleichstrom (DC)?
Definition
Gleichstrom, oft mit DC abgekürzt (vom englischen Direct Current), ist im Grunde genommen elektrischer Strom, der immer in die gleiche Richtung fließt. Stellen Sie sich einen Fluss vor, der stetig in eine Richtung fließt – so ähnlich verhält es sich mit Gleichstrom. Genauer gesagt, bleiben sowohl die Richtung als auch die Stärke des Stroms über die Zeit hinweg konstant. Das bedeutet, dass die Elektronen sich kontinuierlich vom negativen Pol zum positiven Pol bewegen.
Im Gegensatz dazu steht der Wechselstrom (AC), bei dem die Richtung des Stromflusses sich periodisch ändert. Einige Fachleute bezeichnen auch pulsierenden Gleichstrom, bei dem die Stromstärke zwar schwankt, die Richtung aber konstant bleibt, als eine Form von Gleichstrom. Historisch gesehen war Thomas Edison ein großer Verfechter des Gleichstroms und sah ihn als Standard für die Stromversorgung. Im sogenannten „Stromkrieg“ setzte sich jedoch der Wechselstrom vorübergehend durch.
Welche Formen von Gleichstrom gibt es?
- Konstanter Gleichstrom: Hier sind sowohl Stromstärke als auch Spannung absolut stabil und unveränderlich. Ein typisches Beispiel hierfür sind Batterien. Sie liefern eine gleichmäßige und konstante Energiequelle.
- Pulsierender Gleichstrom: Im Gegensatz zum konstanten Gleichstrom weist pulsierender Gleichstrom periodische Schwankungen auf. Er entsteht beispielsweise, wenn Wechselstrom gleichgerichtet wird, aber noch nicht vollständig geglättet wurde.
Wie wird Gleichstrom erzeugt?
- Chemische Prozesse: Batterien und Brennstoffzellen nutzen chemische Reaktionen, um direkt Gleichstrom zu erzeugen. In Batterien wandeln chemische Reaktionen chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Brennstoffzellen funktionieren ähnlich, nutzen aber eine kontinuierliche Zufuhr von Brennstoff, um kontinuierlich Strom zu erzeugen.
- Photovoltaikzellen: Solarzellen, die das Herzstück von Photovoltaikanlagen bilden, wandeln Sonnenlicht direkt in Gleichstrom um. Dieser direkt erzeugte Gleichstrom ist einer der Hauptgründe, warum Photovoltaikanlagen so gut zu Gleichstromsystemen passen.
- Gleichrichter: Gleichrichter sind elektronische Schaltungen, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Einfache Gleichrichterschaltungen verwenden Dioden, um die negativen Halbwellen des Wechselstroms zu blockieren. Fortschrittlichere Brückengleichrichter, auch Graetz-Schaltungen genannt, nutzen sowohl die positiven als auch die negativen Halbwellen des Wechselstroms effizienter. Für besonders sauberen und stabilen Gleichstrom werden zusätzliche Glättungskomponenten wie Elektrolytkondensatoren eingesetzt.
Welche Maßeinheiten sind für DC relevant?
Im Zusammenhang mit Gleichstrom sind folgende Maßeinheiten von zentraler Bedeutung:
Stromstärke: Ampere (A)
Ampere ist die Maßeinheit für die Stromstärke und gibt an, wie viele elektrische Ladungsträger pro Sekunde durch einen Leiter fließen.
Spannung: Volt (V)
olt ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung und gibt die potenzielle Energie pro Ladungseinheit an. Die Spannung ist der „elektrische Druck“, der den Stromfluss antreibt.
Leistung: Watt (W)
Watt ist die Maßeinheit für die elektrische Leistung und gibt an, wie viel Energie pro Sekunde umgesetzt wird. Die Leistung berechnet sich als Produkt aus Spannung und Stromstärke: Leistung (W) = Spannung (V) × Stromstärke (A).
Widerstand: Ohm (Ω):
Ohm ist die Maßeinheit für den elektrischen Widerstand und gibt an, wie stark ein Material dem Stromfluss entgegenwirkt.
Energie: Wattstunden (Wh)
Wattstunden ist eine Maßeinheit für die elektrische Energie und gibt an, welche Leistung über einen bestimmten Zeitraum umgesetzt wurde. Eine Wattstunde entspricht der Energie, die eine Leistung von einem Watt eine Stunde lang erbringt. Größere Einheiten sind Kilowattstunden (kWh) und Megawattstunden (MWh).
Kapazität: Amperestunden (Ah)
Amperestunden ist eine Maßeinheit für die elektrische Ladungsmenge oder Kapazität, die beispielsweise in Batterien gespeichert werden kann. Eine Amperestunde entspricht der Ladungsmenge, die ein Strom von einem Ampere innerhalb einer Stunde transportiert.
Wie wird DC-Strom berechnet? - Einfache Formeln und Beispiele
Das Ohmsche Gesetz: Spannung, Strom und Widerstand im Zusammenspiel
Das Ohmsche Gesetz ist eine der fundamentalsten Formeln in der Elektrotechnik und beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand in einem Stromkreis. Es ist die Basis für viele Berechnungen im Bereich Gleichstrom.
Die Formel lautet:
U = R * I
Manchmal möchten Sie nicht die Stromstärke, sondern den Widerstand oder die Spannung berechnen. Das Ohmsche Gesetz lässt sich ganz einfach umstellen:
Um den Widerstand (R) zu berechnen: R = U / I (Widerstand = Spannung / Stromstärke)
Um die Stromstärke (I) zu berechnen: I = U / R (Stromstärke = Spannung / Widerstand)
Was bedeuten die Variablen?
U = Spannung (engl. Voltage)Die Spannung ist der "elektrische Druck", der den Stromfluss antreibt. Sie wird in Volt (V) gemessen.
R = Widerstand (engl. Resistance)Der Widerstand ist die Eigenschaft eines Materials, dem Stromfluss entgegenzuwirken. Er wird in Ohm (Ω) gemessen.
I = Stromstärke (engl. Current)Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Sie wird in Ampere (A) gemessen.
Beispielrechnung
Frage: Wie viel Strom fließt durch einen Widerstand von 10 Ohm, wenn er an eine 12V Batterie angeschlossen ist?
- Da wir die Stromstärke (I) suchen, müssen wir die Formel nach I umstellen. Dazu teilen wir beide Seiten der Gleichung durch R.
- Dann erhalten wir die Formel: I = U / R
- Nun setzen wir die Werte: U = 12V, R = 10 Ω ein.
- Und erhalten das Ergebnis: I = 12V / 10 Ω = 1,2 A
Antwort: Durch den 10 Ohm Widerstand fließt ein Strom von 1,2 Ampere.
Die Leistungsformel: Leistung, Spannung und Strom im Verhältnis
Die Formel lautet:
P = U * I
Die Formel lässt sich wie beim Ohmschen Gesetz ganz einfach umstellen.
Was bedeuten die Variablen?
P = Leistung (engl. Power)Die Leistung gibt an, wie viel Energie pro Sekunde umgesetzt wird. Sie wird in Watt (W) gemessen.
U = Spannung (engl. Voltage) Die Spannung (wie bereits beim Ohmschen Gesetz erklärt) wird in Volt (V) gemessen.
I = Stromstärke (engl. Current)Die Stromstärke (wie bereits beim Ohmschen Gesetz erklärt) wird in Ampere (A) gemessen.
Beispielrechnung
Frage: Welche Leistung hat ein Gerät, das an einer 12V Spannungsquelle betrieben wird und einen Strom von 0,5 Ampere zieht?
- Formel ist bereits nach der gesuchten Größe (P) aufgestellt: In diesem Fall müssen wir die Formel nicht umstellen, da sie bereits nach der Leistung (P) aufgelöst ist.
- Wir verwenden die Formel: P = U * I
- Nun setzen wir die Werte: U = 12V, I = 0,5 A ein.
- Und erhalten das Ergebnis: P = 12V * 0,5 A = 6 W
Antwort: Das Gerät hat eine Leistung von 6 Watt.
Welche Vorteile bietet Gleichstrom gegenüber Wechselstrom?
Geringere Übertragungsverluste über lange Distanzen
Einer der größten Vorteile von Gleichstrom ist seine Effizienz bei der Energieübertragung über weite Strecken. Im Gegensatz zu Wechselstrom entsteht bei Gleichstrom keine sogenannte Blindleistung. Dies führt dazu, dass die Energieverluste deutlich geringer sind. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) nutzt diesen Vorteil und kann die Leitungsverluste im Vergleich zu Wechselstrom um bis zu 30 % reduzieren.
Effizientere Maschinensteuerungen in der Industrie
Einer der größten Vorteile von Gleichstrom ist seine Effizienz bei der Energieübertragung über weite Strecken. Im Gegensatz zu Wechselstrom entsteht bei Gleichstrom keine sogenannte Blindleistung. Dies führt dazu, dass die Energieverluste deutlich geringer sind. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) nutzt diesen Vorteil und kann die Leitungsverluste im Vergleich zu Wechselstrom um bis zu 30 % reduzieren.
Direkte Nutzung in elektronischen Geräten
Viele moderne elektronische Geräte, wie Laptops, Smartphones oder Elektroautos, arbeiten intern mit Gleichstrom. Wenn diese Geräte direkt mit Gleichstrom versorgt werden können, werden Umwandlungsverluste vermieden, die bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom entstehen würden. Dies führt zu einer höheren Gesamteffizienz und einer längeren Batterielaufzeit.
Welche Nachteile hat DC Strom?
Komplexe Spannungstransformation
Die Anpassung der Spannungsebene ist bei Gleichstrom wesentlich aufwendiger als bei Wechselstrom. Herkömmliche Transformatoren, die in Wechselstromnetzen zentral für die Spannungstransformation zuständig sind, funktionieren nur mit Wechselstrom. Für die Spannungswandlung bei Gleichstrom ist komplexe Leistungselektronik erforderlich.
Höhere Installationskosten für HGÜ-Systeme
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme sind in der Installation oft teurer als vergleichbare Wechselstromsysteme. Dies liegt vor allem an den kostenintensiven Konverterstationen, die für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt benötigt werden.
Historische Probleme mit der Reichweite
In den Anfängen der elektrischen Energieversorgung scheiterte Thomas Edison mit seinen Gleichstromnetzen unter anderem an der begrenzten Reichweite. Frühe Gleichstromnetze hatten hohe Übertragungsverluste auf langen Strecken und erforderten daher zahlreiche dezentrale Kraftwerke. Dieses Problem wurde jedoch durch moderne HGÜ-Technologie weitgehend gelöst.
Wie funktioniert die Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom (und umgekehrt)?
Gleichrichtung von AC zu DC
Dieser Prozess wird als Gleichrichtung bezeichnet und dient dazu, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Dioden oder Thyristoren spielen hierbei eine Schlüsselrolle. Sie wirken wie Ventile, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen.
Einfache Gleichrichterschaltungen blockieren die negativen Halbwellen des Wechselstroms, während sogenannte Vollbrückengleichrichter (Graetz-Schaltung) beide Polaritäten nutzen und somit effizienter sind.
Das Ergebnis ist jedoch zunächst pulsierender Gleichstrom. Um stabilen Gleichstrom zu erhalten, werden Glättungskondensatoren eingesetzt, die die Spannungsschwankungen reduzieren.
Wechselrichtung von DC zu AC
Die Rückumwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom wird durch Wechselrichter realisiert. Moderne Wechselrichter nutzen Transistoren oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), um sinusförmige Wechselspannungen zu erzeugen.
Diese elektronischen Bauelemente schalten sehr schnell und ermöglichen es, den Gleichstrom so zu zerhacken und wieder zusammenzusetzen, dass eine sinusförmige Wechselspannung entsteht. Wechselrichter sind essenziell, um Gleichstrom aus Batterien, Solaranlagen oder HGÜ-Systemen in das Wechselstromnetz einzuspeisen.
Welche Rolle spielt DC in der Elektromobilität?
DC-Schnellladestationen
An sogenannten DC-Schnellladestationen wird Gleichstrom mit hoher Leistung direkt in die Batterie von Elektrofahrzeugen gespeist. Ladeleistungen von 50 bis 350 kW und mehr sind heute üblich. Dadurch lassen sich Ladezeiten erheblich verkürzen – auf oft nur 20 bis 30 Minuten für eine signifikante Reichweitenerhöhung.
Effizienzsteigerung beim Laden
Im Gegensatz zu Wechselstrom-Ladestationen (AC-Laden) entfällt beim DC-Laden die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom im Fahrzeug selbst. Diese Umwandlung erfolgt bereits in der Ladestation. Dadurch werden Umwandlungsverluste vermieden, und die Effizienz des Ladevorgangs steigt um bis zu 15 %.
High-Power-Charging (HPC) für ultraschnelles Laden
Für das ultraschnelle Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere an Autobahnraststätten, kommt vermehrt High-Power-Charging (HPC) zum Einsatz. HPC-Ladesäulen arbeiten ebenfalls mit Gleichstrom und ermöglichen Ladeleistungen von 350 kW und mehr. Diese Technologie ist entscheidend für die Akzeptanz der Elektromobilität, da sie Ladezeiten auf ein Niveau reduziert, das mit dem Tankvorgang bei Verbrennungsmotoren vergleichbar ist.
Wie wird Gleichstrom in der Industrie genutzt?
- Natürliche DC-Erzeugung in Solarzellen: Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Gleichstrom um. Dieser natürlich erzeugte Gleichstrom ist ideal für die direkte Nutzung in Inselanlagen oder zur Speicherung in Batterien.
- DC-gekoppelte Systeme für höhere Effizienz: Moderne Photovoltaikanlagen setzen vermehrt auf DC-gekoppelte Systeme. Diese Systeme kombinieren Photovoltaikmodule, Batterien und Gleichstromverbraucher ohne Zwischenwandlung in Wechselstrom. Dadurch lassen sich die Gesamteffizienz der Anlage um 5–10 % steigern, da Wandlungsverluste minimiert werden. Für die Einspeisung von Solarstrom in das öffentliche Wechselstromnetz ist jedoch weiterhin ein Wechselrichter erforderlich.
Wie sieht die Zukunft von Gleichstromnetzen aus?
Smart-DC-Grids für dezentrale Energieversorgung
Intelligente Gleichstromnetze (Smart-DC-Grids) gewinnen immer mehr an Bedeutung, um dezentrale Energieerzeuger (z. B. Photovoltaik, kleine Windkraftanlagen) und -verbraucher effizient zu vernetzen.
Diese Netze ermöglichen einen bidirektionalen Energiefluss und können zur Stabilisierung des gesamten Stromnetzes beitragen. Studien zeigen, dass bis 2035 bis zu 15 % des deutschen Strombedarfs durch flexible DC-Netze gedeckt werden könnten.
HGÜ-Leitungen für den Ferntransport großer Energiemengen
Welche Sicherheitsstandards gelten für Hochspannungs-Gleichstrom?
Relevante Normen
HGÜ-Anlagen unterliegen verschiedenen Normen und Richtlinien, darunter DIN EN 61508 (funktionale Sicherheit) und DIN EN 50156 (Sicherheitsanforderungen für Feuerungsanlagen, die auch für bestimmte Aspekte von HGÜ-Anlagen relevant sind).
Diese Normen legen Anforderungen an die Konstruktion, den Betrieb und die Wartung von HGÜ-Anlagen fest, um Personen- und Sachschäden zu vermeiden.
Schutzsysteme
Elektromagnetische Felder
Wann wurde Gleichstrom erfunden?
1880: Erste DC-Stromversorgungssysteme von Thomas Edison
Thomas Edison patentierte bereits im Jahr 1880 das erste brauchbare Gleichstrom-Stromversorgungssystem. Er sah Gleichstrom als den Standard für die elektrische Energieversorgung an und trieb die Entwicklung entsprechender Technologien maßgeblich voran.
Ende 19. Jahrhundert: Der „Stromkrieg“ & der Siegeszug des Wechselstroms
Im sogenannten „Stromkrieg“ am Ende des 19. Jahrhunderts trat Edison mit seinem Gleichstromsystem gegen George Westinghouse und Nikola Tesla an, die auf Wechselstrom setzten. Aufgrund der besseren Übertragungseigenschaften und der einfacheren Spannungstransformation setzte sich der Wechselstrom vorübergehend durch und wurde zum dominierenden Standard für die öffentliche Stromversorgung.
In den 1970ern: Revitalisierung von DC durch Halbleitertechnik
Erst mit der Entwicklung leistungsfähiger Halbleiter in den 1970er-Jahren erlebte der Gleichstrom eine Renaissance. Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren und Thyristoren ermöglichten effiziente Gleichrichter, Wechselrichter und DC-DC-Wandler und machten Gleichstrom wieder attraktiv für viele Anwendungen, insbesondere in der Elektronik und der HGÜ-Technik.
Welche Kostenfaktoren sind mit DC-Systemen verbunden?
Kosten für DC-Ladestationen
Die Installation von DC-Ladestationen für Elektrofahrzeuge ist mit erheblichen Kosten verbunden. Je nach Ladeleistung und benötigter Infrastruktur (z. B. Netzanschluss, Tiefbauarbeiten) liegen die Kosten pro Ladeeinheit zwischen 10.000 und 20.000 €. High-Power-Charging-Stationen sind aufgrund der höheren Leistung und komplexeren Technik noch teurer.
Investitionskosten für HGÜ-Projekte
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsprojekte sind Großprojekte, die Investitionen in Milliardenhöhe erfordern. Das HGÜ-Projekt „NordLink“ zwischen Deutschland und Norwegen hat beispielsweise Investitionen von über 1,8 Mrd. € erfordert. Die Kosten entstehen vor allem durch die Konverterstationen und die Seekabel.
Wartungskosten für Gleichrichter und Wechselrichter
Gleichrichter und Wechselrichter sind leistungselektronische Komponenten, die regelmäßig gewartet werden müssen. Die Wartungskosten für DC-Systeme liegen in der Regel etwas höher als bei vergleichbaren Wechselstromsystemen, etwa 20–30 %.
Wie misst man Gleichstrom?
- Digitalmultimeter (DMM): Digitalmultimeter sind universelle Messgeräte, die sich hervorragend für die Messung von Gleichstrom eignen. Um Gleichspannung oder -stromstärke zu messen, werden die Messleitungen an die COM- und VΩ-Buchsen des DMM angeschlossen. Moderne DMM erkennen die Polarität automatisch und zeigen den Messwert mit der entsprechenden Einheit auf dem Display an.
- Shunt-Widerstände und Hall-Effekt-Sensoren für hohe Ströme: Für die Messung sehr hoher Gleichströme, wie sie beispielsweise in Batteriesystemen oder Leistungselektronik auftreten, werden spezielle Messverfahren eingesetzt. Shunt-Widerstände sind präzise Widerstände mit geringem Widerstandswert, die in Reihe zum Stromkreis geschaltet werden. Der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand ist proportional zum Strom und kann mit einem Voltmeter gemessen werden. Hall-Effekt-Sensoren nutzen den Hall-Effekt, um berührungslos das Magnetfeld um einen stromführenden Leiter zu messen und daraus auf die Stromstärke zu schließen.
Genauigkeit moderner Messgeräte
Moderne Digitalmultimeter und Stromsensoren erreichen eine hohe Genauigkeit von ±0,5 % des Messbereichs oder besser. Dies ermöglicht präzise Messungen für viele Anwendungen in der Elektrotechnik und Elektronik.
Fazit: Gleichstrom (DC) als Schlüsseltechnologie der Energiewende
Gleichstrom (DC) ist mehr als nur eine alternative Form der Stromversorgung; er ist eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende und die zukünftige Energieversorgung. Seine Effizienz in der Übertragung, Nutzung in erneuerbaren Energien und Anwendungen in der Elektromobilität machen ihn unverzichtbar.
Auch wenn es technische Herausforderungen wie Kosten und Spannungswandlung gibt, treiben Innovationen in der HGÜ-Technologie, leistungselektronik und Smart Grids die DC-Revolution voran. Gleichstrom ist nicht nur Bestandteil unserer modernen Technologie, sondern gestaltet maßgeblich die Art und Weise, wie wir zukünftig Energie erzeugen, verteilen und nutzen werden. Es lohnt sich also, das Thema Gleichstrom weiter im Blick zu behalten!