Pragmatische Lösung

Praktisch alle öffentlichen Stromnetze und Haushalte verwenden Wechselstrom (engl. Alternating Current, kurz AC, Symbol: ~). Europa, grosse Teile von Asien und Afrika, Australien und Teile von Südamerika verwenden dabei eine Netzfrequenz von

50 Hz, während in Nordamerika, Saudi-Arabien und Teilen von Japan 60 Hz üblich sind. In den Haushalten von Westeuropa wird 230 V~ und in den USA 110 V~ verwendet. Dies war aber nicht immer so, wie ein Rückblick ins vorletzte Jahrhundert zeigt.

 

«Stromkrieg» in den USA

Um 1890 stritten Thomas Alva Edison (1847 – 1931) und George Westinghouse (1846 – 1914) heftig darüber, ob der von Edison favorisierte Gleichstrom (DC) oder der von Westinghouse bevorzugte Wechselstrom (AC) die geeignetere Technik zur grossflächigen Versorgung der USA mit elektrischer Energie und den Aufbau von Stromnetzen sei. Am Anfang ging es eher um Marktanteile für die jeweiligen Elektrofirmen Edison General Electric (die ab Anfang der 1890er Jahre ohne Edison als General Electric firmierte) und Westinghouse Electric als um das eigentliche Stromsystem. Gleichwohl handelte es sich bei dem s.g. «Stromkrieg» um die erste formale und wirtschaftliche Auseinandersetzung über einen technischen Standard in der Industriegeschichte. Jeder der Kontrahenten und ihr Gefolge versuchten, mit immer neuen Behauptungen und Betriebsversuchen das eigene Stromsystem in den Vordergrund und jenes des Kontrahenten ins Abseits zu stellen.

Dabei ging die Wechselspannung relativ schnell als Favorit hervor, weil sich diese leichter herauf- oder heruntertransformieren lässt. Zudem wurde für AC mit weniger Materialeinsatz dank kleinerer Leiterquerschnitte und längerer Leitungen argumentiert, was im Anschluss- und Hausnetz teures Kupfer einsparte. Aber auch die deutlich geringeren Verluste bei der Stromübertragung brachten klare Vorteile. Daher wurde im Stromkrieg vom Edison-Lager bald die Gefährlichkeit in den Vordergrund gestellt, die bei hoher Spannung natürlich grösser ist als bei niedriger. Bei gesunden Menschen gilt bereits eine Berührungsspannung ab 50 V~ oder 120 V = als lebensbedrohlich.

 

Elektrifizierung als treibende Kraft

Zunächst trieb die Beliebtheit elektrischer Beleuchtungen die Elektrifizierung voran, welche zuvor teure, schwere und wenig haltbare Batterien erforderte. Doch mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahr 1866 wurde elektrische Energie in grösserem Umfang erstmals ab Kraftwerk verfügbar. Dadurch wurden die veralteten Batterien schnell für jene Zielgruppen über-flüssig, welche sich einen Stromanschluss sowie elektrische Installationen im Haus leisten konnten. Dazu zählten Hotelbesitzer und Betreiber öffentlicher Gebäude wie Bahnhöfe.

Über die nächsten Jahre entstanden kleinere, regionale Stromnetze in Form von Inselnetzen, in denen der Strom überwiegend zum Betrieb von Kohlebogen- oder Kohlefadenlampen sowie kleineren Gleichstrom-Motoren verwendet wurde. Als Spannung wurde netzseitig meist 110 V= angeboten, die sich für den Betrieb der 1880 von Edison entwickelten Kohlefadenlampe eignete. Die ab 1875 installierten Kohlebogenlampen konnten hingegen mit 100 bis 110 V Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden und sorgten ab 1880 in vielen Städten für die öffentliche Beleuchtung.

Edison errichtete ab 1882 zahlreiche kleine Kohlekraftwerke, in denen von Dampfmaschinen angetriebene Generatoren Strom für seine Gleichspannungsnetze erzeugten. Diese standen nahe am Verbraucher, was verschmutzte Luft und unschöne Freileitungen zur Folge hatte. Neben seinen Patenten für Kohlefadenlampen besass Edison weitere Patente zu Gleichspannungstechniken und verlangte für deren Nutzung Lizenzgebühren. Bald entwickelte er einen der ersten Stromzähler, um den Verbrauch an elektrischer Energie messen und danach verrechnen zu können.

Dieser auch «Edisonzähler» genannte Strommesser konnte natürlich nur Gleichströme erfassen. Edison war die geringere Übertragungsweite seiner 110 V-Gleichspannungsnetze gegenüber hochtransformierter Wechselspannung durchaus bewusst, generierte damit jedoch weitere Einkünfte, indem er seine lokalen Stromerzeugungsstationen für eine Reichweite von etwa 1,5 km auslegte und Lizenzgebühren kassierte.

 

Kontrahent mit AC

Der Unternehmer George Westinghouse hingegen favorisierte Wechselstromsysteme mit einer bereits für damalige Verhältnisse sehr viel grösseren Übertragungsweite und baute ab 1886 AC-Systeme auf. Westinghouse hatte mit seinem Wechselspannungssystem zunächst mit rechtlichen Problemen zu kämpfen. Denn patentrechtlich beschränkten damals die Hersteller der Glühlampen – insbesondere natürlich Unternehmen von Edison – häufig das Benutzungsrecht verkaufter Glühlampen auf lizenzierte Stromnetze.

Westinghouse besass im Gegensatz zu Edison keine Patentrechte zur Produktion von Glühlampen und konnte seinen Kunden daher zwar eine leistungsfähigere Stromversorgung, aber keine komplette Lösung einschliesslich Glühlampen anbieten. Hotels und Büros mit eigenen Generatoren wurden erfolgreich mit gerichtlichen Verfügungen zur Unterlassung der weiteren Nutzung ihrer Glühlampen gezwungen. Die Glühlampenhersteller sicherten sich so auch den Markt der elektrotechnischen Infrastruktur und behinderten den freien Wettbewerb und Innovation. Das monopolistisch interpretierte Patentrecht wurde in den damaligen Zeitungen kritisch hinterfragt.  ??

Die Erfindung des Transformators durch Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs (1881) löste einen weiteren Schub aus. Dies erlaubte fortan den kostengünstigen Transport grösserer Energiemengen über weite Strecken. Sie konnten erstmals eine geforderte elektrische Wirkleistung durch eine höhere Spannung mit kleinerem Strom und somit geringeren Leitungsverlusten übertragen und beim Kunden wieder in kleinere Spannungen zurücktransformiert werden. Diese Entwicklung bei der Elektrifizierung wurde mit Erfindung des Zweiphasenwechselstroms durch Nikola Tesla (1887) und des Dreiphasenwechselstroms durch Dobrowolski (1888) ergänzt und begründete in der elektrischen Energietechnik die bis heute üblichen Zwei- oder Dreiphasen-Stromsysteme.

 

Expansion und Gefahren

Bis Ende 1887 hatten Edison 121 in den USA Gleichstrom- und Westinghouse 68 Wechselstromnetze erstellt. Zudem baute die Thomson-Houston Electric Company weitere 22 Wechselstromnetze, welche die Expansion von Unternehmen aus der Edison-Firmengruppe behinderten. Alle Unternehmen hatten ihre eigenen elektrischen Leitungen, die sich teilweise kreuzten und überschnitten. Besonders in der aufstrebenden Stadt New York waren bis 1887 keine der elektrischen Leitungen im Boden verlegt und die Freileitungen schlecht isoliert, was zu einer sehr provisorisch wirkenden Riesenmenge an Stromleitungen als Hauszuführungen führte.

Der öffentliche Raum in New York wies eine grosse Anzahl von Freileitungen für Telefon-, Telegrafen-, Gleich- und Wechselspannungsleitungen bis zu 6 kV auf, die planlos durch die Strassen gezogen waren. Isolierungen auf Stromleitungen waren eher rudimentär ausgeführt oder gar nicht vorhanden. Als im März 1888 ein grosser Schneesturm eine grosse Anzahl der Leitungen zerriss und es neben einem Zusammenbruch der Energieversorgung zu einem Unglücksfall mit Todesfolge durch elektrischen Schlag kam, wurde eine Diskussion über die Gefährlichkeit der Elektrizität in der Öffentlichkeit losgetreten.

Besonders Edison fürchtete eine solche Diskussion, weil er sie als geschäftsschädigend und schlecht für die noch junge Technik ansah. Zusätzlich angeheizt wurde die Diskussion durch eine 1888 herausgegebene, 84-seitige Broschüre der Edison Elec­tric Light Co. mit dem Titel «Eine Warnung der Edison Electric Light Company». Darin wurde darauf hingewiesen, dass Gleichspannung nicht einen einzigen Tod verursacht hatte.

 

Edison als Drahtzieher im Hintergrund

Edison persönlich äusserte sich nicht öffentlich zu diesem Thema. Jedoch sah er das gesamte Geschäftsmodell Elektrizität durch mögliche Unfälle und Akzeptanzprobleme gefährdet. Insbesondere war die Sicherheit von Elektrizität verglichen mit der von Gas ausgehenden Brandgefahr eines seiner zentralen Argumente. Um die unbekannten Wirkungen der Elektrizität auf Lebewesen zu erforschen, wurden sogar Experimente mit lebenden Tieren durchgeführt. Diese riefen bei Tierschützern grosse Empörung hervor, regte aber die Entwicklung zur schnellen Tötung von Schlachttieren oder streunenden Tieren als schmerzlose Alternative für das damals häufig praktizierte Ertränken an.

Eine führende Rolle bei den Experimenten und der öffentlichen Kampagne gegen Wechselspannung spielte Harold P. Brown, der damals noch nicht bei Edison angestellt war, aber von dort Unterstützung bekam. Edison selbst bevorzugte die Rolle eines erfolgreichen Geschäftsmannes und Experten. Ohne Westinghouse zu nennen, wollte er die Politik dazu bringen, die maximale Spannung in den unterschiedlichen Stromsystemen zu limitieren. Brown forderte Westinghouse sogar zu einer Art Duell auf, sich gemeinsam öffentlich einem Stromschlag gleicher Spannung in Gleichspannung respektive Wechselspannung auszusetzen, um zu beweisen, dass Wechsel-spannung tödlicher als Gleichspannung sei.

 

Absichtlicher Tod durch Strom

1888 wurde in New York ein Gesetz verabschiedet, welches das Hängen verurteilter Menschen durch den elektrischen Stuhl ersetzen sollte, was als schmerzärmer angesehen wurde. Ein Unternehmen Edisons bekam den Regierungsauftrag zur Entwicklung. Der nun für Edison tätige Ingenieur Harold P. Brown setzte dazu das Wechselspannungssystem des Konkurrenten Westinghouse ein, um dieses als gefährlich zu diskreditieren.

Dieser war wegen dieses Vorgehens zutiefst beleidigt, da er keinesfalls wollte, dass jemand durch Wechselstromsysteme zu Schaden kommt. So schrieb Westinghouse an Edison und lud ihn zu einem Gespräch zwecks Beilegung der Differenzen ein. Edison lehnte die Einladung ab, weil ihm seine Arbeit dazu keine Zeit liesse. Kernpunkt der Elektrifizierung blieben weiterhin die Glühlampen, deren Patentrechte nach wie vor bei Edison lagen. Kohlefadenlampen waren nahezu die alleinigen Verbraucher elektrischer Energie in Hotels, Büros und Privathaushalten, weshalb Edison die elektrische Infrastruktur kontrollieren konnte.

Westinghouse hingegen versuchte durch Firmenfusionen die Marktmacht Edisons zu reduzieren. Der Konflikt verschärfte sich 1888 durch den Kauf der United States Electric Lighting Co. durch Westinghouse. Die Edison Electric Light Co. führte seit 1885 gegen dieses Unternehmen einen Prozess wegen Verletzung der Patentrechte auf Glühlampen. Edison gewann den Prozess zwar durch alle Gerichtsinstanzen, jedoch erst 1892. Während des Verfahrens musste die Edison Electric Light Co. die Verletzung ihrer Patente hinnehmen. Edison fühlte sich durch Prozessverschleppungsstrategien von Westinghouse und Edisons ehemaligem Mitarbeiter Nikola Tesla betrogen.

 

Die Rolle von Nikola Tesla

Tesla hatte serbische Eltern und brach Studien in Graz und Prag vorzeitig ab. So zog er 1884 praktisch ohne Finanzmittel nach New York und arbeitete für Edison – allerdings nur für etwa ein halbes Jahr. Edison war eher Pragmatiker und Tesla eher als Forscher unterwegs und wollte den Dingen auf den Grund gehen. Im März 1885 gründete Tesla gemeinsam mit zwei Geschäftspartnern die «Tesla Electric Light and Manufacturing Company» und meldete im selben Jahr die ersten Patente an. Dazu gehörten die Tesla-Bogenlampe und ein neuartiger Kommutator. Seine Geschäftspartner hintergingen Tesla jedoch und wollten lediglich Lizenzzahlungen an andere Lampenhersteller umgehen. So meldete die Firma Ende 1886 Konkurs an und Tesla war arbeitslos.

Während er sich als Tagelöhner im Strassenbau durchschlug, lernte Tesla zufällig Alfred S. Brown von Western Union sowie den Anwalt Charles F. Peck kennen. Der Hochbegabte war von der Wechselstromtechnik begeistert und konnte Brown und Peck von seinen Ideen überzeugen. Tesla erforschte intensiv rotierende magnetische Felder, auch Drehfelder genannt. Das Drehfeld wird dabei mit zwei um 90 ° gegeneinander phasenversetzten Wechselströmen aufgebaut, was als Zweiphasenwechselstrom bekannt ist.

Zwecks weiterer Forschungen gründete Tesla im April 1887 die «Tesla Electric Company» und war neben Peck Mitinhaber. Bis zum Mai 1888 wurden sieben Patente angemeldet, die sich alle mit mehrphasigem Wechselstrom und dessen Übertragung beschäftigten («Polyphase-Patente»). Das wichtigste Patent war wohl die erste Zweiphasen-Synchronmaschine (heute als Drehstrommaschine bekannt). Tesla publizierte in der Fachpresse und hielt Vorträge, wodurch sein Renommee in Fachkreisen stieg.

Dadurch wurde auch Westinghouse auf Tesla aufmerksam und sicherte sich Mitte 1888 die Rechte auf Teslas Polyphase-Patente, musste aber während zehn Jahren erhebliche finanzielle Mittel in deren Verteidigung aufwenden, weil auch andere Forscher Drehstromsysteme unabhängig von Tesla erfunden hatten. Das heute in der elektrischen Energietechnik und in Stromnetzen übliche Dreiphasensystem erfand z. B. Michail Ossipowitsch ebenfalls 1888.

 

Unscheinbarer, aber exzentrischer Genius

Von Juli 1888 bis Juli 1889 arbeitete Tesla gemeinsam mit Technikern von Westinghouse an praktischen Realisierungen von Wechselspannungssystemen, auch hier wieder gefolgt von Patenten u. a. zur Konvertierung von Gleichstrom in Wechselstrom. Die Zusammenarbeit war nicht konfliktfrei, denn Tesla war kein Teamplayer und es gewohnt, selbstständig zu arbeiten. Technisch waren die bestehenden Westinghouse-Maschinen einphasige Generatoren, ausgelegt auf eine Netzfrequenz von 133 Hz. Teslas Maschinen hingegen waren auf Mehrphasenwechselstrom für 60 Hz ausgelegt, die sich ab 1890 bis heute in Nordamerika als übliche Netzfrequenz durchsetzte.

Tesla verkehrte in den 1890er Jahren in der New Yorker High Society, lebte in teuren Hotels und pflegte einen exklusiven Lebensstil. Die Zeit mit Westinghouse war seine Blütezeit. Leider vernichtete 1895 ein Brand sein Labor mitsamt aller Geräten, Unterlagen und Aufzeichnungen, was Tesla in eine tiefe Depression stürzte. Zwar konnte er im selben Jahr ein neues Labor einrichten, geriet aber schnell in finanzielle Schieflage. Westinghouse unterstützte Tesla mit einem Kredit, wofür dieser aber Teile der Lizenzeinnahmen aus seinen Patenten abtreten musste. Tesla beschäftigte sich nun intensiv mit der drahtlosen Signalübertragung und baute dazu ein neues, grösseres Labor. Dank Kredite von Förderern und Freunden überlebte er Kriege und Wirtschaftskrisen. 1937 wurde er als Fussgänger nachts von einem Taxi schwer verletzt, weigerte sich aber, einen Arzt aufzusuchen und starb 1943 im Hotelzimmer.

 

Durchbruch für Wechselstrom (AC)

Das Wechselspannungsnetz baute George Westinghouse 1886 in Zusammenarbeit mit William Stanley und Franklin Leonard Pope am Wohnort Popes in Massachusetts. Dort erzeugte ein von einer Dampfmaschine angetriebener Generator 500 V Wechselspannung, die auf 3000 V hinauftransformiert, in den Ort weitergeleitet und dort auf 100 V heruntertransformiert wurde. Pope war ein früherer Freund von Thomas Alva Edison und galt als Wegbereiter für dessen Aufstieg, bis sie sich zerstritten. Pope starb im Oktober 1895 beim Reparaturversuch der lokalen Stromversorgung nach einem Unwetter. Dies war ein Tiefschlag, weil Pope populär und zeitweise auch Präsident des American Institute of Electrical Engineers (AIEE) war. Sein Tod löste umfangreiche Aktivitäten zur Verbesserung der Sicherheit elektrotechnischer Anlagen aus.

Westinghouse bekam 1892 den prestigeträchtigen Auftrag zur Lieferung eines Wechselspannungssystems für die Weltausstellung in Chicago 1893. Dazu gehörte auch eine grosse Anzahl der von Westinghouse neu entwickelten «Westinghouse  Stopper Lamp», welche Edisons Patente umging. Ein Wasserkraftwerk der Westinghouse-Unternehmen bei den Niagarafällen und der Anschluss Buffalos an die elektrische Stromversorgung brachte ab 1896 den endgültigen Marktdurchbruch von Wechselspannungssystemen. Ab dann produzierte auch General Electric (aus einer Fusion der Edison General Electric Co. und der Thomson-Houston Co. im Jahr 1892 hervorgegangen) Energieversorgungssysteme auf Wechselspannungsbasis. Der Markt hatte sich damit endgültig für deren Vorteile entschieden.

 

Ende der Streitigkeiten

General Electric und Westinghouse gründeten 1896 das «Board of Patent Control». Die Organisation regelte bis zu ihrer Auflösung im Jahr 1911 Patentstreitigkeiten zwischen den Unternehmen aussergerichtlich und vertrat die Patentinteressen beider Unternehmen gegenüber Dritten. Informationen über Patentverletzungen wurden gesammelt und mehr als 600 Verfahren gegen Dritte eingeleitet. Der persönliche Disput beider Pioniere wurde beendet und das Board regelte fortan gemeinsame wirtschaftliche Entscheidungen.

Edison hatte seit Gründung von General Electric keine operativen Kompetenzen mehr. Er bezeichnete sein Eintreten für Gleichspannungssysteme später als grössten Fehler seiner Karriere. Nach Auslaufen der Glühlampenpatente von Edison und der Basispatente auf Wechselspannungstechniken von Westinghouse konnte kein Unternehmen mehr den Markt technologisch kontrollieren, was den Weg für weitere Innovationen und Mitbewerber aus Europa bereitete. ?

 

 

Quellen

wikiwand.com/de/articles/Stromkrieg

www.wikiwand.com/de/articles/Elektrifizierung#Stromnetze

de.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla