Wie kommt Strom nach Zürich? Das Schweizer Stromnetz einfach erklärt
Wie kommt der Strom in die Steckdose? Im Überblick:
Während in Zürich die erste Frühlingsluft weht, haben sich hoch oben im Graubündner Julia-Tal über dem Marmorera-Stausee die Wolken zusammengezogen. Es bläst ein winterlich rauer Wind. Auf dem Staudamm steht Lucien Stern, Betriebsleiter der ewz-Kraftwerke Mittelbünden.
Er blickt auf eine riesige Wasserfläche – 60 Milliarden Liter Wasser fasst der See. Was als ruhige Fläche erscheint, ist der unermüdliche Antrieb eines Systems, das täglich Zehntausende Haushalte mit Strom versorgt.
«Dort ist der Startpunkt der Stromproduktion», sagt Lucien Stern und deutet auf eine eisfreie Stelle. «Darunter befindet sich der Stolleneinlauf.» Von da aus fliesst das Wasser in eine unterirdische Leitung, den sogenannten Druckstollen. Mitten durch den Berg zum ewz-Wasserkraftwerk Tinizong, das rund 480 Höhenmeter tiefer liegt.
Die wichtigste Grösse hier ist:
die Fallhöhe (in Metern)
Sie bestimmt, wie viel Energie aus dem fallenden Wasser gewonnen werden kann.
Im Kraftwerk entsteht der Strom
Im Kraftwerk Tinizong angekommen, presst sich das Wasser durch eine Düse und spritzt auf eine Turbine. Diese sieht aus wie ein Wasserrad mit Schaufeln. Trifft der Wasserstrahl auf, setzt sich die Turbine in Bewegung. Da der Generator fest mit ihr verbunden ist, dreht er mit und generiert Strom.
Deep Dive: So entsteht der Strom im Generator
Der Generator besteht hauptsächlich aus zwei Bauteilen. Das eine sieht etwas aus wie eine Walze. «Das ist der Rotor», sagt Lucien Stern. «Angetrieben durch die Turbine, dreht er sich.» An diesem Bauteil sind zahlreiche Magnete befestigt.
Das zweite Bauteil umgibt die Walze wie ein Mantel und heisst Stator. Dieser ist fix verbaut und dreht sich nicht. An diesem Bauteil befinden sich gewickelte Kupferschienen.
Magnete induzieren den Strom
Dreht sich nun der Rotor im Stator, bewegen sich Magnete an Spulen vorbei und setzen freie Elektronen im Kupfer in Bewegung.
Abwechselnd ziehen der positive und der negative Pol der Magnete die negativ geladenen Elektronen in die eine oder andere Richtung. Dieses Hin und Her geschieht sehr schnell. Es entsteht ein Elektronenstrom in der Leitung, der ständig seine Richtung ändert: der Wechselstrom.
Dadurch, dass sich Elektronen voneinander abstossen, leitet sich diese zitternde Bewegung in einem Kabel weiter.
Dies spielt sich in einer riesigen Maschinenhalle ab, versteckt hinter grossen bunten Gehäusen. Lautes Dröhnen erfüllt den Raum. Lucien Stern schmunzelt: «Das ist für uns kein Lärm, wir nennen das Musik.»
Übrigens:
- Dieses Erklärvideo zeigt das Ganze nochmals vereinfacht. Mehr zur Wasserkraft auch in unserer Themenrubrik.
- Sie möchten näher ran? Im ewz-Wasserkraftwerk Tinizong gibt es extra Familienführungen, die die Welt der Stromproduktion auf spielerische Art und Weise erklären (Anmeldung erforderlich).
- Via Anmeldung können Sie auch andere ewz-Standorte besichtigen, so zum Beispiel die Staumauer Albigna im bündnerischen Bergell oder das Laufwasserkraftwerk in Zürich-Höngg.
Nachdem das Wasser seine Fallenergie auf die Turbine übertragen hat, fliesst es unterirdisch zum nächsten ewz-Kraftwerk, wo erneut Strom entsteht. Hat das Wasser seine Arbeit verrichtet, kehrt es weiter unten im Tal unverändert zurück in den Fluss.
Allein im Kraftwerk Tinizong entstehen 190 Gigawattstunden Strom pro Jahr – genug für etwa 76’000 Stadtzürcher Durchschnittshaushalte.
Die wichtigste Grösse hier ist:
die Energie (in Wattstunden)
Sie gibt an, welche Energiemenge ein Gerät mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde erzeugt oder verbraucht. Es ist das Produkt aus Leistung (Watt) und Zeit (Stunden).
Der erzeugte Strom fliesst über die angeschlossenen Kabel weiter. Sie sind im Keller verlegt. Lucien Stern folgt ihnen in den unterirdischen Gängen, bis sie in der Decke verschwinden: «Da oben steht der Transformator.»
Der Transformator passt die Spannung an
Das Gerät sieht aus wie ein riesiger grauer Kasten, bestückt mit viel Technik und Kabeln. Hier in Sils steht er im Freien, in einem eingezäunten Feld voller Leitungen und Elektrotechnik. Es ist ein sogenanntes Unterwerk oder Umspannwerk – der Ort, an dem die Spannung angepasst wird.
Um den Strom über weite Strecken in die ganze Schweiz leiten zu können, muss die Spannung drastisch erhöht werden. «Die Spannung ist wie der Druck in einer Wasserleitung», vergleicht Lucien Stern. Je höher der Druck, desto mehr Wasser kann transportiert werden – und genauso funktioniert es beim Strom.
Die Spannung von 11 Kilovolt – also 11’000 Volt –, die aus dem Generator kommt, wird auf 220 Kilovolt erhöht, sprich transformiert. Nun ist der Strom bereit für die weite Reise.
Die wichtigste Grösse hier ist:
die Spannung (in Volt)
Sie misst den elektrischen Druck, der Elektronen durch eine Leitung bewegt. Je höher die Spannung, desto mehr Druck liegt an.
Deep Dive: So funktioniert ein Transformator
Um Strom über lange Strecken möglichst verlustarm zu transportieren, sind Transformatoren unverzichtbare Elemente im Stromnetz. Ihre Aufgabe ist es, die Spannung von elektrischem Strom zu verändern.
Ein Transformator besteht im Inneren aus drei Hauptbestandteilen: einem Eisenkern und zwei Spulen (Primär- und Sekundärspule), die rund um den Kern gewickelt sind.
Das Magnetfeld als Schlüsselprinzip
Sobald durch die erste Spule Wechselstrom fliesst, baut sich im Eisenkern ein Magnetfeld auf, das ständig seine Richtung wechselt. Dieses Magnetfeld gelangt zur zweiten Spule und erzeugt dort erneut Wechselstrom.
Entscheidend ist die Anzahl Wicklungen der Spulen. Hat die sekundäre Spule mehr Wicklungen als die Primärspule, entsteht eine höhere Spannung. So lässt sich etwa eine Spannung von 11 auf 220 Kilovolt erhöhen, damit der Strom ins Höchstspannungsnetz eingespeist werden kann.
Die ewz-Leitstelle hat den Kraftwerkspark im Griff
Wie viel Strom jedes einzelne ewz-Kraftwerk ins Netz einspeist, überwacht die Leitstelle in Sils im Domleschg. «Wir haben den ganzen Kraftwerkspark auf den Bildschirmen vor uns», sagt Michael Wolf, Leiter dieser ewz-Leitstelle.
Michael Wolf und sein Team steuern die Generatoren nach einem genauen Produktionsfahrplan, der im Viertelstundentakt vorberechnet ist. «Aktuell müssen wir 7 Megawatt mehr produzieren», sagt Michael Wolf. «Unsere Kundschaft braucht mehr Energie als prognostiziert.»
Diese Differenz gleicht er mit verschiedenen ewz-Kraftwerken aus. Denn der Verbrauch und die Produktion müssen immer im Gleichgewicht sein. Das nennt sich Bilanz. Gesamtschweizerisch wird diese von Swissgrid verantwortet, der nationalen Übertragungsnetzgesellschaft.
Die wichtigste Grösse hier ist:
die Leistung (in Watt)
Sie gibt an, wie schnell Energie produziert oder verbraucht wird. Es muss immer gleich viel elektrische Leistung ins Netz eingespeist werden, wie gerade verbraucht wird.
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Swissgrid sorgt für Netzstabilität
Swissgrid ist zuständig für das Höchstspannungsnetz der Schweiz. Das sind alle Leitungen, die Strom mit einer Spannung von 380 oder 220 Kilovolt transportieren. «Es sind quasi die Autobahnen für den Strom», sagt Jan Schenk, Mediensprecher bei Swissgrid.
Um die Stromflüsse darin stabil zu halten, ist die Frequenz ein entscheidender Faktor. Die Sollfrequenz liegt bei 50 Hertz und hat einen Toleranzbereich von lediglich 0,05 Hertz. Dieser sensible Indikator zeigt, ob Produktion und Verbrauch ausgeglichen sind.
Die wichtigste Grösse hier ist:
die Frequenz (in Hertz)
Sie gibt im Stromnetz an, wie oft die Elektronen pro Sekunde ihre Richtung ändern. In ganz Europa beträgt die Netzfrequenz 50 Hertz. Das heisst, die Elektronen ändern ihre Bewegungsrichtung 50-mal pro Sekunde.
Die Netzebenen sind wie Strassen im Stromnetz
Je näher der Strom zu den Verbraucher*innen kommt, desto niedriger ist die Spannung, die zur Übertragung benötigt wird. Deshalb ist das Stromnetz in ein mehrstufiges System von verschiedenen Spannungsebenen eingeteilt. Dazu gehört das Höchst-, das Hoch-, das Mittel- und das Niederspannungsnetz.
Deep Dive: die verschiedenen Netzebenen
Weil Transformatoren das Bindeglied zwischen den verschiedenen Spannungen sind, werden sie als separate Ebenen aufgeführt. Die geraden Netzzahlen sind somit immer Transformatoren.
Das sind die einzelnen Netzebenen
Ebene 1: Höchstspannung (380 oder 220 Kilovolt)
Das sind die Autobahnen des Stromnetzes für den Transport über weite Strecken. Diese Ebene verantwortet Swissgrid.
Ebene 2: Transformation (zwischen Ebene 1 und 3)
Diese Ebene liegt in den Kuppelunterwerken.
Ebene 3: Hochspannung (36 bis 150 Kilovolt)
Diese Spannung wird benötigt, um überregionale Gebiete zu versorgen.
Ebene 4: Transformation (zwischen Ebene 3 und 5)
Diese Ebene befindet sich in Quartierunterwerken.
Ebene 5: Mittelspannung (1 bis 36 Kilovolt)
Diese dient der regionalen Versorgung von Städten und grösseren Gemeinden.
Ebene 6: Transformation (zwischen Ebene 5 und 7)
Diese Ebene befindet sich in den Quartieren.
Ebene 7: Niederspannung (alles unter 1 Kilovolt)
230 und 400 Volt ist die Spannung, die beim Hausanschluss und dann auch zu Hause in der Steckdose ankommt.
In Zürich angekommen, führt Jaël Birchler, die die Services Unterwerke und Hochspannungsleitungen in der Stadt leitet, den Vergleich weiter: «Nebst Autobahnen braucht es auch Haupt- und Quartierstrassen sowie Hauszufahrten im Stromnetz.» So könne man sich das im Stromnetz vorstellen.
«Und die Strassenkreuzungen befinden sich in unseren Unterwerken», sagt die Elektroingenieurin. Von insgesamt vier Standorten kommt der Strom in die Stadt Zürich. Diese Schnittstellen nennen sich Kuppelunterwerke.
Die Knotenpunkte für die Stadt und die Quartiere
«Hier im Unterwerk Auwiesen geben wir uns die Klinke in die Hand», sagt Jaël Birchler. «Dort kommt der Strom unter anderem aus unseren eigenen Kraftwerken via Swissgrid rein, dann wird er auf 150 Kilovolt transformiert und danach geht er auf die Schaltanlage.» Jaël Birchler zeigt routiniert den Weg des Stroms. Sie weiss genau, welche Leitung gerade in Betrieb ist und welche nicht.
Deep Dive: die Schaltanlage
Um zwischen Leitungen hin- und herzuschalten oder einen Transformator etwa für eine Wartung ausser Betrieb zu nehmen, braucht es einen Schalter. Während dieser zu Hause – wie etwa ein Lichtschalter – klein und unscheinbar ist, benötigt er bei hohen Spannungen viel Platz. Der Schalter ist in der Schaltanlage verbaut, die in Unterwerken einen wesentlichen Teil der Anlagen ausmacht.
«Bei so hohen Spannungen ist es gar nicht so einfach, den Strom zu trennen», sagt Jaël Birchler. «Denn für ein paar Millisekunden entsteht ein Lichtbogen.» Dieser ist mehrere Tausend Grad heiss und kann Schäden an den Kontaktstellen verursachen.
An- und Ausschalten unter komplexen Bedingungen
Deshalb kommt ein sogenannter Leistungsschalter zum Einsatz. Er reisst die Kontakte mit sehr hoher Geschwindigkeit auseinander. «Und der Lichtbogen wird mit speziellen Löschmechanismen wie eine Kerze ausgeblasen», sagt Jaël Birchler
Entscheidend ist zudem das Timing. Da in den Leitungen Wechselstrom fliesst, nutzt der Schalter den kurzen Augenblick, an dem die Elektronen ihre Richtung wechseln und der Strom einen Moment bei null ist: der sogenannte Nulldurchgang.
Der Strom fliesst anschliessend in das gegenüberliegende Unterwerk. Es ist eins von insgesamt 15 sogenannten Quartierunterwerken in der Stadt Zürich. Manche stehen auf einer Wiese, andere sind in Gebäuden oder gar unterirdisch untergebracht.
Auch hier ist das Herzstück jeweils ein Transformator. Er ist bloss kleiner und reduziert die Spannung von 150 auf 22 Kilovolt. «Nun geht es unterirdisch weiter in die Quartiere», erklärt Jaël Birchler.
Die letzte Etappe bis ins Wohnzimmer
In der Stadt Zürich sind 3’300 Kilometer Mittelspannungskabel im Boden verlegt, angeordnet als ringförmiges, vermaschtes Netzwerk. Darüber gelangt die Energie zu rund 800 Trafostationen, die meist unauffällig in Gebäude integriert sind.
«Wir erhalten dafür jeweils einen Raum, etwa in einer Überbauung», sagt Arjen Visser, Leiter der Netzinfrastruktur in Zürich. «Man sieht maximal eine Tür mit einem ewz-Schild dran. Mehr ist davon nicht sichtbar.»
Nach einer letzten Senkung zu Haushaltsstrom beträgt die Spannung 400 und 230 Volt. Unter der Quartierstrasse verlegt, kommt der Strom schliesslich zu Hause in der Steckdose an – nach einer langen Reise über eine komplexe Netzinfrastruktur, bestehend aus unzähligen Kabeln, Leitungen, Schaltern und Transformatoren.
Ob die Elektronen hoch oben im Bündnerland bei frühlingshaftem oder winterlich kaltem Wetter generiert worden sind, ist ihnen übrigens nicht ganz egal. Bei tieferen Temperaturen fliesst der Strom etwas effizienter, da der elektrische Widerstand in den Leitungen geringer ist.
FAQ
Was ist Smart Grid und warum braucht man das?
Um ein genaueres Bild des Stromverbrauchs zu erhalten, sind neue Messmethoden wie Smart Meter und Sensoren an Trafostationen im Einsatz. Dies bildet die Grundlage dafür, den Verbrauch künftig besser zu steuern. Ziel ist es, Lastspitzen zu vermeiden, indem der Verbrauch in Zeiten mit wenig Bedarf verschoben wird. Siehe hier unser Beitrag dazu.
Wie hängen Wärmeverbunde mit dem Netzausbau zusammen?
Die Wärme selbst wird nicht elektrisch erzeugt. Ersetzt man zur Dekarbonisierung Öl- und Gasheizungen durch Wärmepumpen oder Fernwärme, braucht es für den Betrieb der Wärmepumpen oder der Energiezentralen der Verbunde elektrische Energie.
Wie wirken sich Elektroautos auf das Stromnetz aus?
Elektroautos erhöhen den Stromverbrauch nur moderat. Wichtiger für das Stromnetz ist es, Leistungsspitzen beim Laden von vielen Elektroautos gleichzeitig möglichst zu vermeiden. Siehe hier unsere Rubrik dazu.
Was macht ein Übertragungsnetz, was ein Verteilnetz?
Ein Übertragungsnetz transportiert Strom mit sehr hoher Spannung über grosse Distanzen zwischen Kraftwerken und Regionen. Das Verteilnetz bringt den Strom von dort mit tieferer Spannung weiter zu Städten, Dörfern, Unternehmen und Haushalten.
Warum ist das Stromnetz stabil bei 50 Hertz?
Das Stromnetz bleibt stabil bei 50 Hertz, weil Produktion und Verbrauch ständig ausgeglichen werden. Die Netzbetreiber passen die Stromerzeugung laufend an. So bleibt die Frequenz im Netz nahezu konstant.
Wer betreibt das Schweizer Stromnetz?
Das Höchstspannungsnetz der Schweiz betreibt Swissgrid. Die Verteilnetz-betreiber sind jene Unternehmen, die den Strom an Haushalte und Unternehmen liefern und somit auf der Rechnung erscheinen. Wie etwa ewz, das Elektrizitätswerk der Stadt Zürich.
Was passiert bei Netzüberlastungen oder Stromausfällen?
Bei einem Stromausfall wird ein Teil des Netzes automatisch abgeschaltet, etwa wegen eines Defekts oder einer Überlastung. Schutzsysteme verhindern auf diese Weise Schäden. Verteilnetzbetreiber lokalisieren die Störung und schalten das ausgefallene Netz schrittweise wieder zu. Siehe hier unsere Tipps für Stromausfälle.
Welche Rolle spielen erneuerbare Energien im Stromnetz?
Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser liefern zunehmend Strom ins Netz. Weil ihre Produktion schwankt, gibt es immer wieder Spitzen im Netz. Daher braucht es flexible Kraftwerke, Speicher und ein gut gesteuertes Netz, um Angebot und Nachfrage auszugleichen.
Übrigens: Tipps zum Energiesparen sowie zu Fördergeldern finden Sie hier bei ewz.
Text und Videos
Amanda Arroyo
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