Wechselstrom: einfach erklärt mit Unterschied zu DC

Was ist Wechselstrom?

Wechselstrom ist elektrischer Strom, der in regelmäßigem Takt seine Richtung umkehrt. Die Ladungsträger im Kabel wandern dabei nicht von der Quelle zum Gerät, sondern pendeln auf der Stelle hin und her. Energie übertragen sie trotzdem, so wie eine Säge auch beim Vor- und Zurückziehen sägt.

Im Stromnetz verläuft dieses Pendeln gleichmäßig wie eine Welle. Die Spannung steigt von null auf einen Höchstwert, fällt zurück auf null, kehrt die Richtung um, erreicht denselben Höchstwert mit umgekehrtem Vorzeichen und kehrt wieder zu null zurück. Diese Form heißt Sinuskurve. Danach beginnt alles von vorn.

Das Gegenstück ist Gleichstrom. Er fließt gleichmäßig in eine Richtung, wie Wasser in einem Bach. Batterien, Akkus und Solarmodule liefern Gleichstrom. In der Technik stehen die Abkürzungen AC für Wechselstrom und DC für Gleichstrom.

Welche Kennwerte hat Wechselstrom?

Wechselstrom wird durch seine Frequenz und seine Spannung beschrieben. Die Frequenz gibt an, wie viele volle Schwingungen pro Sekunde ablaufen. Die Einheit ist Hertz. Im europäischen Stromnetz sind es 50 Hertz. Nach dem Lernportal LEIFIphysik gibt es dabei alle 0,01 Sekunden einen Polwechsel, der Strom ändert seine Richtung also 100-mal pro Sekunde.

Bei der Spannung wird es etwas kniffliger, weil sie ständig schwankt. Deshalb gibt es zwei Angaben. Der Scheitelwert ist der höchste Wert, den die Spannung in jeder Schwingung erreicht. Der Effektivwert ist nach LEIFIphysik diejenige gleichbleibende Spannung, die in der gleichen Zeit die gleiche Energie liefert. Er ist der Wert, mit dem im Alltag gerechnet wird. Bei einer Sinuskurve ist der Effektivwert der Scheitelwert geteilt durch die Wurzel aus 2.

Wenn von 230 Volt aus der Steckdose die Rede ist, ist also immer der Effektivwert gemeint. Tatsächlich pendelt die Spannung 50-mal pro Sekunde zwischen plus 325 und minus 325 Volt. Eine Glühlampe leuchtet dabei so hell, als läge dauerhaft eine Gleichspannung von 230 Volt an.

Wechselstrom, Gleichstrom, Drehstrom: Was ist der Unterschied?

Gleichstrom fließt in eine Richtung, Wechselstrom wechselt die Richtung, und Drehstrom besteht aus drei Wechselströmen zugleich. Alle drei kommen im Haushalt vor, oft ohne dass man es merkt. Die Tabelle stellt sie nebeneinander.

Zwischen den Stromarten lässt sich umwandeln. Ein Gleichrichter macht aus Wechselstrom Gleichstrom, das steckt in jedem Handy-Ladegerät. Ein Wechselrichter geht den umgekehrten Weg und macht aus Gleichstrom Wechselstrom. Jede Umwandlung kostet einen kleinen Teil der Energie.

Warum kommt Wechselstrom aus der Steckdose?

Aus der Steckdose kommt Wechselstrom, weil er sich einfach auf hohe Spannung bringen und so mit geringen Verlusten über weite Strecken transportieren lässt. Das Gerät dafür ist der Transformator. Er besteht im Kern aus zwei Spulen und funktioniert nur mit Strom, der sich laufend ändert, also mit Wechselstrom.

Die hohe Spannung ist der Schlüssel. Jede Leitung hat einen Widerstand und erwärmt sich, wenn Strom fließt. Diese Wärme ist verlorene Energie. Dieselbe Leistung lässt sich mit hoher Spannung und kleinem Strom übertragen oder mit niedriger Spannung und großem Strom. Nach dem Lexikon der Physik von Spektrum fällt der Anteil der Verluste bei festgelegter Leistung quadratisch mit der Übertragungsspannung. Doppelte Spannung bedeutet also ein Viertel der Verluste, zehnfache Spannung ein Hundertstel.

Deshalb arbeitet das Stromnetz in Stufen. Kraftwerke speisen in Hochspannungsleitungen ein, das Lexikon nennt als Beispiel 220.000 Volt. Auf dem Weg zum Haus setzen Transformatoren die Spannung schrittweise herab, bis an der Steckdose 230 Volt anliegen. Mit Gleichstrom war dieses Hoch- und Herunterspannen lange nicht praktikabel, darum hat sich Wechselstrom als Standard durchgesetzt. Den letzten Transformator vor dem Haus betreibt der örtliche Netzbetreiber.

Was ist Drehstrom?

Drehstrom ist eine besondere Art von Wechselstrom: drei Wechselströme mit gleicher Spannung und Frequenz, die um 120° gegeneinander versetzt sind. Jeder erreicht seinen Höchstwert also ein Drittel einer Schwingung später als der vorige. Im Alltag heißt er auch Starkstrom oder Kraftstrom, in der Fachsprache Dreiphasenwechselstrom.

Ins Haus führen dafür drei stromführende Leiter und ein gemeinsamer Rückleiter. Zwischen einem Leiter und dem Rückleiter liegen 230 Volt, das ist die Spannung der normalen Steckdose. Zwischen zwei der drei Leiter liegen rund 400 Volt. Der Wert ergibt sich aus der Versetzung der drei Ströme: 230 Volt mal Wurzel 3 sind 398 Volt.

Der Vorteil liegt in der Leistung. Geräte, die alle drei Leiter nutzen, können bei gleichem Strom je Leiter deutlich mehr Leistung aufnehmen als ein Gerät an der Steckdose. Deshalb hängen Herd, Durchlauferhitzer, Wallbox und Wärmepumpe meist am Drehstrom. Auch größere Solaranlagen speisen über alle drei Leiter ein, damit das Netz gleichmäßig belastet wird. Der Name kommt vom Elektromotor: Drei versetzte Ströme erzeugen ein umlaufendes Magnetfeld, das den Motor ohne weitere Hilfsmittel dreht.

Warum bleibt die Frequenz bei 50 Hertz?

Die Frequenz bleibt bei 50 Hertz, solange im Netz genau so viel Strom erzeugt wie verbraucht wird. So beschreibt es der Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz. Die Frequenz ist damit der Pulsschlag des Stromnetzes: An ihr lässt sich in jedem Moment ablesen, ob Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht sind.

Wird mehr verbraucht als erzeugt, sinkt die Frequenz. Wird mehr erzeugt als verbraucht, steigt sie. Die Netzbetreiber halten deshalb Kraftwerke und Speicher bereit, die innerhalb von Sekunden mehr oder weniger Leistung liefern können. Diese Reserve heißt Regelleistung. Große Batteriespeicher eignen sich dafür besonders gut, weil sie sehr schnell reagieren.

Für Solaranlagen ist das wichtig, weil ihr Wechselrichter sich nach der Netzfrequenz richtet. Er speist im Takt des Netzes ein und trennt die Anlage, wenn die Frequenz den zulässigen Bereich verlässt. Diese Schutzfunktion heißt Netz- und Anlagenschutz. Fällt das Netz aus, schaltet eine normale Solaranlage deshalb ab, auch wenn die Sonne scheint. Weiterlaufen kann sie nur mit einer Notstromfunktion.

Welche Rolle spielt Wechselstrom in der Photovoltaik?

In der Photovoltaik ist Wechselstrom das Ziel, nicht der Ausgangspunkt. Solarzellen erzeugen im Betrieb Gleichstrom. Nach Angaben des Fraunhofer ISE wandeln Wechselrichter diesen Gleichstrom in Wechselstrom mit 50 Hertz um, damit er im Haus genutzt und ins Netz eingespeist werden kann. Der Wirkungsgrad marktüblicher Geräte liegt um 98 %.

Daraus erklären sich viele Fachbegriffe. Die DC-Seite ist alles vor dem Wechselrichter, also Module und Gleichstromkabel. Die AC-Seite ist alles danach. Die Leistung der Module heißt DC-Nennleistung und wird in Kilowatt Peak angegeben, die Leistung des Wechselrichters heißt AC-Nennleistung. Beide Werte sind selten gleich.

Auch beim Speicher spielt die Stromart eine Rolle. Batterien speichern Gleichstrom. Hängt der Speicher auf der DC-Seite, fließt der Solarstrom ohne Umweg hinein. Hängt er auf der AC-Seite, wird der Strom erst in Wechselstrom, dann zum Laden zurück in Gleichstrom und beim Entladen wieder in Wechselstrom gewandelt. Das sind mehr Umwandlungen und damit etwas mehr Verlust. Mehr dazu steht im Beitrag zum Batteriespeicher.

Beim Elektroauto ist es ähnlich. An der Wallbox zu Hause wird mit Wechselstrom geladen, das Ladegerät im Auto macht daraus Gleichstrom für den Akku. An Schnellladesäulen fließt Gleichstrom direkt in den Akku, deshalb geht es dort schneller.

Praxis: Wechselstrom und Gleichstrom im Haus erkennen

Welche Stromart ein Gerät braucht oder liefert, steht auf seinem Typenschild. Eine Wellenlinie oder die Buchstaben AC stehen für Wechselstrom. Ein gerader Strich über einer gestrichelten Linie oder die Buchstaben DC stehen für Gleichstrom. Bei Netzteilen stehen beide Angaben: Eingang AC, Ausgang DC.

Für den Alltag heißt das dreierlei. Geräte für Gleichstrom dürfen nie ohne passendes Netzteil ans Netz. Solarmodule dürfen nie direkt an eine Steckdose oder ein Haushaltsgerät, dazwischen gehört immer ein Wechselrichter. Und wer Leistung, Spannung und Strom umrechnen will, findet dafür den Volt-Watt-Ampere-Rechner.

Häufige Fragen

Fazit

Wechselstrom ist der Strom des Netzes: Er wechselt 100-mal pro Sekunde die Richtung, hat an der Steckdose 230 Volt und lässt sich mit Transformatoren verlustarm über weite Strecken verteilen. Gleichstrom ist der Strom der Batterien und Solarmodule. Beide gehören zusammen, und zwischen ihnen vermitteln Netzteile und Wechselrichter.

Für Besitzer einer Solaranlage reicht ein Merksatz: Auf dem Dach entsteht Gleichstrom, im Haus wird Wechselstrom gebraucht, und der Wechselrichter verbindet beides. Wie viel Solarstrom Ihr Dach liefern kann, zeigt der Solarrechner.

Quellen und Methodik

Die Angaben zu Frequenz und Effektivwert stammen vom Lernportal LEIFIphysik, die Aussage zu den Leitungsverlusten aus dem Lexikon der Physik von Spektrum, die zur Netzfrequenz vom Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz, die zur Photovoltaik vom Fraunhofer ISE. Eigene Rechnungen sind der Scheitelwert von 325 Volt, die Periodendauer, die 400 Volt bei Drehstrom und der Rechner. Die Netzspannung von 230 Volt und die Versetzung von 120° bei Drehstrom sind Normwerte, für die keine eigene Quelle verlinkt ist. Die Vergleichstabellen sind eigene Zusammenstellungen.

1. LEIFIphysik: Effektivwerte von Wechselstrom und Wechselspannung - Definition des Effektivwerts, Faktor Wurzel 2, Frequenz und Polwechsel
2. Spektrum Lexikon der Physik: Hochspannungsleitung - Verluste in Abhängigkeit von der Übertragungsspannung
3. 50Hertz Transmission: Regelreserve - Zusammenhang von Erzeugung, Verbrauch und Netzfrequenz
4. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Gleichstrom der Solarzellen, Umwandlung im Wechselrichter, Wirkungsgrad