Definition

Als Energieübertragung oder auch Energietransport in einem technischen Sinn bezeichnet man die Veränderung des Ortes von gezielt nutzbarer Energie. Das klassische Beispiel ist die Erzeugung von elektrischer Energie mit Windrädern auf dem offenen Meer und die anschließende Übertragung dieser Energie hin zu einer Stadt auf dem Festland. Wie man Energie in großen Mengen und mit möglichst niedrigen Verlusten über weite Strecken übertragen kann ist eine der großen technischen Aufgaben unserer Zeit.

Historische Beispiele

Technisch nutzbare Energie in großen Mengen kann man oft an Orten gewinnen, wo diese großen Mengen aber schlecht oder gar nicht genutzt werden können. Man möchte also die Energie möglichst bequem von einem Ort zu einem anderen Ort transportieren. Die Frage, wie man das am geschicktesten machen kann stellt in überraschend vielen Situationen. Und jede Situation bringt oft wieder interessante neue Aspekte mit sich.

Polarforscher

Bis ins 20. Jahrhundert hinein hieß Forschung in der Arktis oder der Antarktis, dass man in einer kleinen Gruppe von Menschen oft jahrelang von der Außenwelt abgeschnitten war. An Nahrungsmittel und damit auch an Energiequellen für den eigenen Körper oder an Energie für die Erwärmung von Suppen und das Schmelzen von Eis (Trinkwasser!) war damit eine lebenswichtige Aufgabe. Gleichzeitig durfte das Gepäck nicht zu schwer werden. Oft zogen die Forscher Schlitten mit ihrer eigenen Körperkraft über hunderte von Kilometern. Eine traditionelle Lösung war das sogenannte Pemmikan, eine Mischung aus Fleisch und Fetten, die viel Nährwert pro Kilogramm hatten.

Bergwerke

Viele begehrte Rohstoffe lagern weit unterhalb der Erdoberfläche und auch weit unterhalb des Grundwasserspiegels. Die großen Vorkommen an Steinkohle nördlich von Aachen zum Beispiel reichen bis weit über 1000 Meter in den Untergrund hinab. Teuft man ein Bergwerk in Bereiche unterhalb des Grundwasserspiegels ab, würde ohne Gegenmaßnahmen jeder Grubenbau schnell mit Wasser vollaufen. Also muss man das Wasser irgendwie nach oben Pumpen. Die Aufgabe mussten schon Bergleute im antiken Griechenland und Rom oder in Mitteleuropa lösen. Und um große Mengen an Wasser über große Höhenunterschiede nach oben zu pumpen, benötigt man viel Energie pro Zeit, sprich Leistung. Geeignete Energiequellen waren oft Bäche, die an der Oberfläche nahe eines Bergwerkes entlangliefen. Mit ihnen könnte man große Mühlrader antreiben. Oder man ließ an der Oberfläche Tiere in einer Art Karussell, einem sogenannten Göpel laufen und ein Räderwerk antreiben.

Dieses Bild ist für das Verständnis des Textes nicht wichtig. Das Bild wird im Text nicht erwähnt.

Wasserkünste erreichten im neuzeitlichen Europa, nach dem Mittelalter, einen sehr hohen technischen Entwicklungsstand. Oft fast ganz aus Holz gebaut waren es Wunderwerke handwerklichen und technischen Könnens.

Wie aber bekam man im 16. Jahrhundert, lange vor der Erfindung des Stroms, die Energie weit nach unter Tage, wo man damit Pumpen antreiben wollte? Die Lösung führte zu oft genialen und hochkomplizierten Mechaniken aus Gestängen und Rädern, die die Energie mit fast reinen Holzkonstruktionen über weite Strecken übertragen konnten. Siehe dazu beispielhaft die sogenannte 👉 Wasserkunst

Eisenbahn

Ein sehr anschauliches Beispiel sind Lokomotiven. Eine Lokomotive muss oft lange und schwere Züge durch Gegenden ziehen, in denen keine nutzbare Energie vorhanden ist. Die ersten Lokomotiven mussten also - ähnlich wie Polarforscher - ihre Energiequelle mit sich führen. Das waren dann oft eigene kleine anghängte Wagen, die sogenannten Kohletender. In ihnen wurde Steinkohle mitgeführt, dann dann im Kessel der Dampflok Wasser verdampfte. Der heiße Wasserdampf trieb dann die eigentliche Lok an.

Gut sieht man an der ersten in Deutschland eingesetzten Dampflok, dem Adler auf der Strecke von Nürnberg nach Fürth den hinten mitgeführten Anhänger für die Steinkohle.

Revolutionär war dann die Inbetriebnahme der erste elektrischen Bahn mit Fahrdraht (Oberleitung).^[2] Technisch interessant ist, dass man in der Pionierzeit der elektrischen Lokomotiven gerne Elektromotoren mit Drehstrom verwendet hätte. Aber da dies einen weiteren Fahrdraht bedeutet hätte, entschied man für die baulich einfachere Lösung von einphasigem Wechselstrom.^[3]

Schiffe

Segelschiffen stellt sich das Problem der Energieübertragung für ihren Antrieb nicht. Hier überträgt sozusagen die Natur gratis die ursprüngliche Kernenergie der Sonne über vielfältige Zwischenstufen bis hin zum Wind an den Segeln. Anders sieht es mit Schiffsantrieben mit Kohle und Schweröl aus. Solche Schiffe kamen im 19. Jahrhundert auf. Die zwei großen Vorteile waren ihr Fahrtüchtigkeit auch bei Flauten (kein Wind) sowie ihre oft viel größere Geschwindigkeit. Das spielte unter anderem für Kriegsschiffe eine entscheidende Rolle. Für ihre lange Fahrten über die Ozeane benötigten diese Schiffe aber enorm große Mengen an Kohle oder Öl. So entstand die Notwendigkeit, den Kohle oder Ölvorrat auch abseits vom Heimathafen erneuern zu können. So besetze die Briten im 19. Jahrhundert etwa die arabische Insel Perim, um dort eine sogenannte Bunkerstation für ihre Schiffe nach Indien und in den fernen Osten zu haben. Die Franzosen bauten eine Bunkerstation in Diego-Suarez an der Nordspitze von Madagaskar eine Bunkerstation. Und die Insel Diego Garcia im Indischen Ozean erfüllte bis weit ins 20. Jahrhundert diesen Zweck für britische und US-amerikanische Schiffe.

Das erste Atom-U-Boot der Welt: mit ihren Nuklearantrieben können U-Boote oder auch große Flugzeugträger jahrelang auf See operieren, ohne Treibstoffe erneuern zu müssen. Das ist vor allem militärisch ein großer Vorteil.

Besonders schwierig ist die Lage für U-Boote. Wenn U-Boote unter Wasser fahren, haben sie keinen Sauerstoff zum Verbrennen von Kohle oder Öl. Sie sind dann auf batteriegespeiste Elektromotoren mit sehr viel weniger Leistung udn Reichweite angewiesen. Was das für den Alltag auf einem U-Boot bedeutete ist eindringlich in dem Buch "Das Boot" von Lothar-Günther Buchheim geschildert. Im zweiten Weltkrieg gab es spezielle Versorgungsschiffe, die deutsche U-Boote weit außen im Atlantik mit Treibstoff versorgen konnten. Doch während der Übergabe des Treibstoffs konnte die Boote bei einem Angriff aus der Luft nicht schnell abtauchen. Das Problem, dass die Tauchfahrt wesentlich durch den Brennstoff begrenzt wird, wurde am Ende durch Atom-U-Boote gelöst. Hier ist die nötige Energie im Brennstoff, etwa Uran, in einer so hohen Dichte gespeichert, dass schon das erste Atom-U-Boot, die SNN-571 Nautilus gut 4 Tage unter Wasser fahren konnte.^[6]

Flugzeuge

Ähnlich wie Polarforscher stehen auch die Betreiber von Flugzeugen vor dem Problem, dass sie Energie mitführen müssen, aber das Gewicht und auch der Platzbedarf in einem vernünftigen Rahmen bleiben müssen. Sich Flugzeuge an Drähten vorzustellen ist zwar technisch denkbar. Es gibt immerhin Drohnen, die über Drähte gesteuert werden. Aber für Transatlantikflüge dürfte das ein absurder Gedanke sein. Auch Batterien sind eine schwierige Lösung. Zwar gibt es Flugzeuge mit Batterien, doch sind Batterien für größere Strecken noch viel zu schwer. Das wichtige Stichwort für Flugzeuge ist Energiedichte. Für Flugzeuge hat man im Idealfall einen Energieträger der eine hohe Mengen an Energie auf wenig Gewicht speichern kann. Geeignet sind zum Beispiel Kerosin mit 43 Millionen Joule Energie pro Kilogramm oder - noch besser - Wasserstoff mit rund 142 Millionen Joule pro Kilogramm. Siehe mehr unter 👉 Energiedichten

Sonnensegel

Länder mit großen Wüsten nahe am Äquator könnte theoretisch große Flächen mit Solarpaneelen bedecken und damit auch große Mengen an Sonnenenergie erzeugen. Noch effizienter wäre es, man würde gigantische Sonnensegel in einer Erdumlaufbahn im Weltraum bauen. Dort wird das Licht der Sonne durch keine Atmosphäre geschwächt und die Solarpaneele würden dort auch keine Natur verschandeln oder andersweitig gut nutzbare Flächen belegen. Wie aber bekommt man große Mengen an Energie vom Weltraum auf die Erdoberfläche? Mit Laserstrahlen? Mit einer gigantischen Stromleitung ähnlich einem Weltraumaufzug? Der Flaschenhals in dieser Vision ist der Transport der Energie vom Weltraum hinab auf die Oberfläche der Erde.

Offshore-Windparks

Mit diesem fünften Beispiel kommen wir zu jenen technischen Lösungen und Verbesserungen, an denen heute tatsächlich viele Ingenieure und Naturwissenschaftler arbeiten. Im Jahr 2015 wurde der rund 93 Kilometer nordwestlich der Insel Juist gelegene Offshore-Windpark "Global Tech I" in Betrieb genommen. Bei voller Auslastung kommen die 80 Windräder mit je 5 Megawatt Nennleistung auf insgesamt 400 Megawatt. Zum Vergleich sei gesagt, dass typische Atom- und Steinkohlekrafte Leistungen von etwa 1000 Megawatt und die gigantischen Braunkohlekraftwerke des Rheinlades auf über 2000 Megawatt kamen. Dennoch: 400 Watt ist eine sehr große Leistung. Es tritt wieder das bekannte Problem auf, dass am Ort der Erzeung der elektrischen Energie kein sinnvoller Abnehmer ist. Die Abnehmer, etwa Rechenzentren mit Leistungen von 180 Megawatt können zum Beispiel etwa 500 km weit entfernt in Frankfurt oder Hanau liegen.^[4]

Übertragung elektrischer Energie

Die heute von der Menge der übertragenen Energie her wichtigste Technologie dürfte die Leitung elektrischer Energie in Metalldrähten sein. Vermutlich wird der Transport von festen Energieträgern wie Kohle, Öl oder Gas in der Bedeutung irgendwann zurück gehen und sich auf Anwendungen beschränken, die nicht sinnvoll an das elektrisch Netz angebunden werden können, wie etwa Flugzeuge. Um nun elektrische Energie technisch optimal übertragen zu können, muss man einige Grundtatsachen im Zusammen mit elektrischem Strom berücksichtigen.

Bei zu hohen Stromstärken können sich Leitungen stark erhitzen (Brandgefahr) 👉 ohmscher Widerstand

Ideal wäre ein elektrischer Leiter ohne ohmschen Widerstand. Daran wird geforscht 👉 Supraleiter

Dicke Leitungen haben weniger Widerstand, sind aber teuer und schwer 👉 spezifischer Widerstand

Bei hohen Spannung gibt es weniger Verluste als bei niedrigen Spannungen. Ideal wäre 👉 Hochspannung

Viele Stromquelle, wie Windräder oder Turbinen erzeugen zunächst 👉 Wechselstrom

Um Wechselstrom niedriger Spannung auf hohe Spannungen zu bringen verwendet man einen 👉 Transformator

Wechselstrom erzeugt außerhalb der Leitung ständig sich ändernde Magnetfelder. Das erzeugt etwa in Seewasser hohe Streuverluste. Der Grund ist die 👉 elektromagnetische Induktion

Gleichspannung hat weniger Verluste als Wechselspannung. Ideal wäre eine sehr hohe 👉 Gleichspannung

Aber: Gleichrichter, die aus Wechselstrom Gleichstrom machen und Wechselrichter für die Umkehrung sind sehr teuer.

Diese wenigen Randbedingungen machen deutlich, dass man bei der Planung einer optimalen Energieübertragung mit Strom selten einen Aspekt alleine optimieren kann. Meist ist das Optimum ein Kompromiss zwischen widerstreidenden Einflussfaktoren. Bei kurze Distanzen lohnt es sich nicht, die teuren Gleich- und Wechselrichter zu bauen. Erst ab Entfernungen von etwa 50 bis 100 km lohnt es sich für Unterseekabel, die teuren Umformer einzubauen und Hochspannungsgleichstrom zu übertragen.^[5] Man spricht dann von einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, kurz einer HGÜ.

Persönliche Anmerkung

Die Idee, sich bewährte Lösungen von der Natur zu holen bezeichnet man als Bionik. Haie haben eine so reibungsfreie Haut, dass Flugzeug- und Schiffbauer sich dafür interessieren. Als Otto Lilienthal die ersten vernünftigen Fluggeräte für Menschen baute war die Grundlage ein sorgfältiges Studium des Vogelflugs. Was hat die Natur in Sachen Energieübertragung zu bieten? Wenn Menschen aus der Ruhe heraus schnell körperliche Höchstleistung bringen sollen, muss Energie von irgendwo im Körper schnell an den gewünschten Muskelzellen verfügbar gemacht werden. Bäume produzieren ihre verfügbare Energie durch Photosynthese in ihren Blättern und Nadeln. Wie bringt ein über 100 Meter hoher Mammutbaum diese Energie in seine Wurzeln, dass die dort lebenden Zellen sie nutzen können? Die Fähigkeit, schnell große Mengen an Energie nutzen können wird heute von einigen Paläobiologen als Mitauslöser der sogenannten kambrischn Artenexplosion vermutet. Erst als Organismen diese Fähigkeit entwickelt hatten, konnten sie die Sprung von behäbigen, meist ortsfesten Bodenbewohnern hin zu agilen und dann auch aggressiven Tieren machen. Aber warum findet man nirgends in der Natur die Übertragung elektrischer Energie über Metallleitungen? Und das, obwohl die Natur Elektrizität in vielfacher Weise (Nervenzellen, Zitteraale) nutzt. Und warum sehen wir in der Natur keine symbiotischen und ortsfesten Pflanzen-, Pilz- oder Tiergemeinschaften (Korallen), die über große Entfernungen (Zehnermeter?) Leitungssysteme für einen schnellen Transport von zum Beispiel Glucose unterhalten? Es scheint in der Natur so etwas wie eine Kopplung von hoher Mobilität und hohem Energieumsatz bei Lebewesen zu geben. Und das wiederum verleitet zu der Spekulation, dass menschliche Makrostrukturen wie Unternehmen oder Staaten, die Zugriff auf große Mengen schnell verfügbarer Energie haben, irgendwann als Großstruktur einmal mobil werden könnten. Eine grobe Vorstellung wie das aussehen könnte geben vielleicht die phantastischen Geschichten von Philip Reeves über seine beweglichen Städte, die "Mortal Engines". Fingere licet.

Fußnoten

[1] Die Energieübertragung in einem eng chemischen Sinn ist ein "photophysikalischer Prozeß der strahlungslosen Desaktivierung eines photoangeregten Donors D*, der seine Anregungsenergie auf einen im elektronischen Grundzustand befindlichen Akzeptor A überträgt, welcher dadurch in einen angeregten Zustand A* übergeht: D* + A → D + A*. Die E. erfolgt intra- oder (in der Regel) intermolekular." In: der Artikel "Energieübertragung". Spektrum Lexikon der Chemie. Abgerufen am 17. Januar 2026. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/chemie/energieuebertragung/2937

[2] Hohn, Manfred; Stanfel, Dieter; Figlhuber, Hellmuth R. (1983). Mödling–Hinterbrühl. Die erste elektrische Bahn Europas für Dauerbetrieb. Wien: Verlag Slezak. ISBN 978-3-85416-079-3.

[3] "Der Bau von Motoren für einphasigen Wechselstrom bereitet noch immer Schwierigkeiten; gerade für Bahnbetriebe wird trotzdem einphasiger Wechselstrom mehrfach angewendet, weil er wie Gleichstrom nur einen Fahrdraht verlangt." In: der Artikel "Kraftübertragung". Röll, Freiherr von: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens, Band 6. Berlin, Wien 1914, S. 433-435. Online: http://www.zeno.org/nid/20011418206

[4] Der französische Rechenzentrumsbetreiber Data4 Group entwickelt am Standort Hanau, Stadteil Großauheim (Depotstraße) einen großen Rechenzentrum‑Campus, der auf einem etwa 25 Hektar großen Gelände entsteht. Laut Betreiberseite ist eine elektrische Gesamtleistung von 180 MW vorgesehen, und das erste Datenzentrum‑Modul ist für 2025 geplant. Quelle: Data4 Group. 2025. “Our campus of data centers in Germany – Frankfurt‑Hanau / A sustainable and innovative campus,” Data4 Group Website, accessed January 17, 2026, https://www.data4group.com/en/data-center-in-frankfurt-germany/

[5] "Estimated HVDC [High Voltage Direct Current] breakeven distances can vary, but for overhead lines, they typically fall between 300 and 800 kms. For offshore or underground cable links, the typical range is between 50 and 100 kms" In: Cheng Zhichu et al.: Offshore wind farms interfacing using HVAC-HVDC schemes: A review. Computers and Electrical Engineering. Volume 120, Part B, December 2024. Online: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0045790624007249