Die Entscheidung für Wechselstrom statt Gleichstrom für die Stromerzeugung im Haushalt ist ein umfassendes Ergebnis, das auf der Effizienz der Stromübertragung, der Gerätekompatibilität und der historischen technologischen Entwicklung basiert. Die Kernlogik dreht sich um die Frage, wie Strom kostengünstig und verlustarm von abgelegenen Kraftwerken zu Tausenden von Haushalten transportiert werden kann.

1. Der Hauptvorteil von Wechselstrom ist die effiziente Umsetzung der Stromübertragung über große Entfernungen.

Zwischen Stromerzeugung und -verbrauch besteht eine natürliche geografische Lücke. Große Kraftwerke (wie Wasser- und Wärmekraftwerke) werden oft in ressourcenreichen oder weit entfernt von städtischen Gebieten errichtet und müssen den Strom Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern weit in Wohngebiete transportieren. Während dieses Prozesses entstehen beim Stromfluss durch die Übertragungsleitung aufgrund des Widerstands der Leitungen Wärmeverluste (gemäß dem Jouleschen Gesetz: Verluste sind proportional zum Quadrat der Stromstärke). Werden diese Verluste nicht kontrolliert, geht bei der Übertragung viel Strom verloren, was zu einem Anstieg der Stromversorgungskosten führt.

Der Hauptvorteil von Wechselstrom liegt in seiner Fähigkeit, einen Spannungsanstieg und -abfall durch Transformatoren (Geräte mit einfacher Struktur, geringen Kosten und ohne bewegliche Teile) problemlos zu erreichen:

• Kraftwerks-Boosting: Die vom Kraftwerk erzeugte Wechselspannung beträgt etwa 12.000 V und wird zunächst durch einen Hochsetztransformator auf Hochspannungen von 115 kV, 230 kV oder sogar 765 kV angehoben. Gemäß der Leistungsformel führt eine Erhöhung der Spannung bei konstanter Gesamtleistung zu einer deutlichen Reduzierung des Stroms und damit zu einer Verringerung des Wärmeverlusts der Übertragungsleitung (wenn beispielsweise die Spannung um das Zehnfache erhöht und der Strom auf 1/10 reduziert wird, beträgt der Verlust nur 1/100 des ursprünglichen Werts). Der endgültige Übertragungsverlust kann auf 5 % begrenzt werden.

• Spannungsreduzierung vor dem Betreten des Haushalts: Nachdem der Strom in der Stadt angekommen ist, wird er zunächst durch den Spannungsreduziertransformator des Umspannwerks, das für die lokale Verteilung innerhalb der Stadt verwendet wird, auf etwa 12 kV reduziert. Schließlich wird die Spannung durch kleine Transformatoren in Wohngebieten oder Straßen weiter auf sichere Haushaltsstandards (wie 120 V in Nordamerika und 230 V in China/Europa) reduziert, um die Gefahr der Hochspannung für die menschliche Gesundheit und Haushaltsgeräte zu vermeiden.

Auf der anderen SeiteGleichstrom kann aufgrund seiner konstanten Spannung und Stromrichtung kein sich änderndes Magnetfeld erzeugen – und das Funktionsprinzip von Transformatoren beruht auf „sich ändernden Magnetfeldern, die Spannung induzieren“, sodass Gleichstrom mit herkömmlichen Transformatoren keinen Spannungsanstieg und -abfall erreichen kann. Wenn zwangsweise Gleichstrom übertragen wird, kann dieser nur mit niedriger Spannung und hohem Strom übertragen werden, was zu extrem hohen Leitungsverlusten führt (beispielsweise kann der Verlust einer 100 Kilometer langen Gleichstromleitung 50 % übersteigen), wodurch Kraftwerke in der Nähe der Verbraucher gebaut werden müssen (normalerweise im Umkreis von 1 Meile), was den großflächigen Stromversorgungsbedarf von Städten nicht decken kann.

2. Natürliche Kompatibilität zwischen Klimaanlage und Haushaltsgeräten.

Im Alltag sind Haushaltsgeräte (von Großgeräten bis hin zu Kleingeräten) meist auf Wechselstromantriebe angewiesen oder eignen sich besser für die Wechselstromversorgung. Diese Kompatibilität ergibt sich aus den Eigenschaften und Herstellungskostenvorteilen von Wechselstrom:

• Geeignet für gängige Motortypen: Kühlschränke, Waschmaschinen, Klimaanlagen, Dunstabzugshauben und andere große Haushaltsgeräte, deren zentrale Antriebskomponente ein Wechselstrom-Induktionsmotor ist. Dieser Motortyp ist einfach aufgebaut (ohne anfällige Komponenten wie Kommutatoren), hat eine niedrige Ausfallrate, ist kostengünstig und kann die Wechselstromeigenschaften direkt nutzen, um einen Selbststart ohne zusätzliche elektronische Steuerungskomponenten zu erreichen. Gleichstrommotoren (wie z. B. frühe Bürstenmotoren) benötigen mechanische Kommutatoren zur Umschaltung der Stromrichtung, die verschleißanfällig sind und eine kurze Lebensdauer haben. Selbst moderne bürstenlose Gleichstrommotoren benötigen komplexe Steuerungen für ihren Betrieb und wurden in der Vergangenheit zu deutlich höheren Kosten als Wechselstrommotoren hergestellt.

• Kompatibel mit Heiz- und Beleuchtungsgeräten: Widerstandsheizgeräte wie Elektroherde, Wasserkocher und Elektroheizungen sind zwar theoretisch mit Wechsel- und Gleichstrom kompatibel (Strom, der durch Widerstände fließt, erzeugt Wärme), benötigen aber aufgrund des einheitlichen Netzstandards Wechselstrom keine zusätzlichen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, was die Produktionskosten und die Ausfallraten deutlich senkt. Frühe Glühlampen und spätere Leuchtstofflampen können für den Betrieb auch direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen werden. Moderne LED-Leuchten werden zwar grundsätzlich mit Gleichstrom betrieben, benötigen aber nur einen kleinen (extrem kostengünstigen) Gleichrichter, um sich an den Wechselstrom im Haushalt anzupassen, ohne die Netzarchitektur zu ändern.

3. Der „Krieg um den elektrischen Strom“ begründete die beherrschende Stellung des Wechselstroms im späten 19. Jahrhundert und führte unmittelbar dazu, dass Wechselstrom zum weltweiten Standard für Haushaltsstrom wurde.

Dahinter verbarg sich ein praktischer Wettbewerb zweier technologischer Wege:

• Einschränkungen der Gleichstromlösung von Edison: Der Erfinder Edison förderte zunächst Gleichstromversorgungssysteme und baute erste Gleichstromkraftwerke in New York. Wie bereits erwähnt, kann Gleichstrom jedoch nicht über große Entfernungen übertragen werden, und seine Reichweite ist auf einen Umkreis von 1,6 km um das Kraftwerk begrenzt. Um Verluste zu vermeiden, sind dicke Leitungen erforderlich (was teuer ist) und kann den Anforderungen der Stadterweiterung nicht gerecht werden.

• Durchbruch bei Teslas AC-Lösung: Der Physiker Tesla erfand ein mehrphasiges Wechselstromsystem und einen Wechselstrom-Induktionsmotor und löste damit die Kernprobleme der Wechselstromübertragung und -anwendung. Der Unternehmer Westinghouse Electric übernahm diesen Plan und nutzte erfolgreich Wechselstrom zur Stromversorgung der Weltausstellung 1893 in Chicago (wo Zehntausende von Lichtern zum Leuchten kamen). Anschließend wurde das Wechselstromübertragungssystem für das Niagara-Wasserkraftwerk gebaut (das Strom bis ins 35 Kilometer entfernte Buffalo lieferte). Diese Beispiele demonstrieren die Skalierbarkeit von Wechselstrom, der die Gleichstromlösung deutlich übertraf und Wechselstrom zur weltweiten Stromversorgung von Haushalten machte.

4. Die Anwendungsgrenze des modernen Gleichstroms: immer noch abhängig vom Wechselstromnetz.

Heutzutage wird Gleichstrom häufig zur Erzeugung von Solarstrom, zur Speicherung von Batterieenergie und in elektronischen Geräten verwendet, hat jedoch die zentrale Stellung von Wechselstrom im Haushalt nicht verdrängt.

• Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom aus erneuerbarer Energie: Solarmodule erzeugen direkt Gleichstrom, und Haushalts-Energiespeicherbatterien speichern ebenfalls Gleichstrom. Dieser Strom muss jedoch durch „Wechselrichter“ in Wechselstrom umgewandelt werden, bevor er an das Haushaltsstromnetz angeschlossen werden kann, um Haushaltsgeräte zu versorgen – im Wesentlichen basiert er immer noch auf dem einheitlichen Standard von Wechselstrom

• Ergänzung zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ): Bei der modernen Übertragung über sehr große Entfernungen (wie etwa grenzüberschreitende Stromnetze oder Offshore-Windparks an Land) wird HGÜ verwendet (mit geringeren Verlusten als Wechselstrom). Nachdem der Strom jedoch das städtische Verteilungsnetz erreicht hat, muss er noch in Wechselstrom umgewandelt werden, bevor er in den Haushalten genutzt werden kann.

Kurz gesagt ist die moderne Anwendung von Gleichstrom eher eine Ergänzung als ein Ersatz für das Wechselstromnetz. Die Grundbedürfnisse der Haushalte nach Strom (große Entfernung, niedrige Kosten, Kompatibilität mit mehreren Geräten) werden immer noch perfekt durch Wechselstrom gedeckt.