In dit artikel zal ik voornamelijk focussen op het hoogspanningsnet, en dan met name de werking van de stroom en sommige eigenschappen ervan. Over het dagelijkse reilen en zeilen zijn ook veel leuke dingen te vertellen, en dat zal ik ook zeker doen in een vervolgartikel. In Nederland (en andere landen) is het stroomnet gelaagd opgebouwd. Om deze gelaagde opbouw te illustreren is een veelgebruikte analogie die van een wegennet. Kleine lokale weggetjes zorgen ervoor dat alle huizen en bedrijven op elkaar aangesloten zijn, terwijl provinciale wegen zorgen dat men snel kan reizen binnen een regio. Voor het grote lange-afstandsverkeer hebben we vervolgens snelwegen waar veel transport plaats kan vinden. Het stroomnet werkt op vergelijkbare wijze. Lokale netbeheerders zorgen ervoor dat huizen en bedrijven voorzien zijn van stroom, terwijl het hoogspanningsnet (de provinciale wegen en snelwegen) ervoor zorgt dat veel stroom zich kan verplaatsen over het hele land. De term ‘hoogspanning’ is in Nederland een verzamelnaam voor alle stroomnetten met een minimum spanning van 35000 volt (of 35 kilovolt) tot 380 000 volt (of 380 kilovolt). Hogere voltages zijn ook zeker mogelijk, maar die worden in Nederland niet toegepast.
De basics van stroom
Voordat we ingaan op de elektriciteit die we zien op het hoogspanningsnet, is het de moeite waard om het kort te hebben over hoe elektriciteit ook alweer werkt. Elektriciteit wordt beschreven aan de hand van drie eigenschappen: de spanning, het aantal ampères, en de weerstand in het circuit. Ampère is de naam van de eenheid die zegt hoeveel lading zich per seconde verplaatst, ofwel de natuurkundige grootheid ‘stroom’. De spanning is verantwoordelijk voor het ‘aanduwen’ van de lading waardoor die zich verplaatst: de spanning veroorzaakt de stroom. De weerstand is juist het vermogen van een materiaal om verplaatsende lading tegen te houden, oftewel de ‘remmende kracht’. De onderlinge relatie tussen deze drie eigenschappen is de welbekende wet van Ohm:
\( U = I \times R \).
Een groot aantal ampères (I) betekent dus dat er ofwel een hoge spanning moet zijn, ofwel (en het liefst) zo weinig mogelijk weerstand. Nu is het zo dat de weerstand inherent is aan het materiaal waar de stroom doorheen geleid wordt. De stroom zelf komt pas op gang als er een spanning aangebracht wordt. De vraag is dus; hoe creëert men een spanning in een elektrisch circuit? In de eerste lessen van de middelbare school wordt dit vaak gedaan door simpelweg een batterij te nemen. Een batterij heeft altijd twee polen: een minpool, en een pluspool. Tussen deze twee polen zit een spanningsverschil. Sluit je de twee polen op elkaar aan met een geleider (en eventueel een weerstand), dan gaat er een stroom lopen. Dit is een voorbeeld van gelijksspanning. Daartegenover kan men ook gebruik maken van zogenaamde wisselspanning. Dit is stroom die wordt aangedreven door een spanning waarbij de min- en pluspolen continu wisselen.
Hoewel gelijkspanning intuïtief logischer lijkt om te gebruiken in het dagelijks leven, blijkt het dat wisselspanning veel voordelen heeft waardoor het uiteindelijk de standaard is geworden. Overigens is het wel zo dat, ten tijde van de eerste ontwikkeling van elektriciteit als een product, door de uitvinders Thomas Edison en Nikola Tesla, er een hevige strijd was tussen de twee over welke vorm van elektriciteit de beste was. Edison was van mening dat gelijkspanning de standaard moest worden, terwijl Tesla (of eigenlijk: het bedrijf dat de uitvindingen van Tesla omzette in producten) juist inzette op wisselspanning. Voor beide vormen van elektriciteit valt dan ook veel te zeggen. Elektronica gebruikt bijvoorbeeld altijd gelijkspanning, terwijl wisselspanning het handigst is voor industriële toepassingen in de vorm van elektromotoren. Voor het hoogspanningsnet, echter, is wisselspanning zoals we zullen zien ook verreweg de interessantste vorm van stroom – hoewel er uitzonderingen zijn! Ook kan wisselspanning effectiever gebruikt worden om veel vermogen te verspreiden met minder materiaal. Dat was in naoorlogs Europa een zeer overtuigende reden om wisselspanning te gebruiken. De aanleg van een hoogspanningsnet kost immers vele miljarden euro’s (in huidige bedragen omgerekend) aan mankracht en materiaal.
De wet van Lenz
De grootste reden dat wisselstroom in de praktijk heel gemakkelijk is, is dat het mogelijk is om naar believen de spanning te veranderen van hoog naar laag. Dit kan gedaan worden met transformatoren en de wet van Lenz. De wet van Lenz is een soort ‘actie = reactie’-wet voor elektriciteit:
\( \frac{dB}{dt} = – V_{inductie} \).
In woorden zegt deze formule: als een magneetveld verandert, ontstaat er een spanning. Als je een gesloten spoel (bijvoorbeeld een ring van koperkabel) hebt, en vervolgens met een magneetveld in de buurt komt, dan zal de geleider de magneet opmerken, en het magneetveld ‘tegen willen werken’. De natuur houdt er in zekere zin niet van als dingen veranderen. De geleider (de ring van koperkabel) kan het magneetveld tegenwerken door zelf een magneetveld op te wekken dat tegengesteld is aan het magneetveld dat in de buurt komt van de kabel. Dit doet de geleider doordat er een stroom gaat lopen door de kabel; een stroom wekt immers een magneetveld op. De stroom in de kabel heet ook wel de geïnduceerde stroom.
Het is dit fenomeen waarmee transformatoren spanning en stroom kunnen uitwisselen. Het opgewekte magneetveld in een koperen ring is namelijk afhankelijk van het aantal windingen van de ring, van de aangeleverde stroom en van de spanning. De wet van Lenz (en de manier waarop de transformatoren gebouwd zijn) zorgt ervoor dat de totale hoeveelheid energie aan beide kanten van de transformator even groot is. Door twee spoelen tegenover elkaar te zetten, elk met een verschillende aantal windingen, kan men eenvoudig stroom transformeren tussen hoog- en laagspanning, zodat het totale elektrische vermogen, gegeven door het product \( U \times I \), behouden blijft – op verliezen door transformator-efficiëntie na, natuurlijk.
Ook is wisselstroom heel eenvoudig op te wekken: dankzij de wet van Lenz weten we dat er een stroom geïnduceerd kan worden als het magneetveld verandert. Simpelweg een magneet rondjes laten draaien in de buurt van een spoel induceert dus al stroom in de spoel. Dit is wat er gebeurt bij grote elektriciteitsfabrikanten: door middel van het verbranden van kolen of gas produceert men stoom. Deze stoom wordt gebruikt om een gigantische turbine te laten draaien, die vervolgens magneten rondjes laten draaien, waarmee een stroom opgewekt wordt. In windmolens gebeurt ditzelfde iets directer: de wind laat de wieken draaien, die vervolgens een turbine in de kop van de windmolen laten draaien. Zodoende wordt bewegingsenergie omgezet in elektrische energie. Overigens is het zo dat een dergelijke turbine met magneten twee kanten op werkt: net zoals men elektriciteit ermee kan opwekken, kan men er ook elektriciteit in stoppen, waarna de turbine door het omgekeerde proces begint te draaien. Het gevolg is dat je een elektromotor hebt!
Wisselspanning
Het is de wet van Lenz die ons in staat stelt een grote stroom met een lage spanning om te zetten in een kleine stroom met een hoge spanning, waarbij de hoeveelheid energie die de stroom bij zich draagt behouden is. Waarom is dit handig? Welnu, de stroom in het hoogspanningsnet moet lange afstanden overbruggen. De kabels die hiervoor gebruikt worden hebben altijd een beetje weerstand, waardoor ze altijd een beetje energie verliezen in de vorm van uitgestraalde warmte. De energie die een kabel verliest aan warmte wordt gegeven door de formule
\( P = I^2 \times R \).
Oftwel: het verloren vermogen in een stuk kabel is kwadratisch evenredig met de stroom – bij bijvoorbeeld twee keer zoveel stroom is er vier zoveel vermogen, en wordt er dus ook vier keer zoveel warmte gegenereerd. Door de hoeveelheid stroom te verminderen (en dus de spanning op te schroeven) verliest men veel minder energie. Uiteraard kan men er ook voor kiezen om de weerstand te verlagen, maar dat kost meer moeite: het proces gaat lineair, niet kwadratisch, en het is bovendie heel duur omdat er meer materiaalkosten zijn voor dikkere kabels. Je zou nu overigens tegen kunnen weren dat dit probleem van energieverlies ook geldt voor gelijkstroom, en dat is helemaal waar. Dit argument van energieverlies is op zich dan ook geen reden om voor wisselspanning te kiezen boven gelijkspanning. Het is echter pas sinds relatief kort mogelijk om kostenefficiënt gelijkstroom te transformeren tussen hoge en lage spanning, zoals dat met wisselstroom al jaren kan. Voor het besparen van energie met de bovenstaande methode zijn zulke transformaties nodig, en daardoor was wisselspanning een natuurlijke keuze in vroegere tijden.
Er is echter ook een nadeel aan wisselstroom. Zoals te zien in de afbeelding hierboven, is de spanning, en dus de stroomsterkte, niet constant. Er zijn momenten waarop de stroom nul is (als de blauwe lijn door de x-as beweegt). Dit maakt voor het gebruik in huishoudens niet veel uit, maar voor de industrie kan het problematisch zijn vanwege de werking van elektromotoren, die dan niet heel gelijkmatig draaien. Dit probleem is vrij eenvoudig op te lossen: door verschillende stromen op te wekken met een onderling faseverschil, kun je garanderen dat er altijd stroom aanwezig is in het systeem. Dit faseverschil is te realiseren door de spoelen die de stroom opwekken in een generator bijvoorbeeld 120 graden ten opzichte van elkaar te plaatsen rondom de elektromotor of generator. (Zie afbeelding 4). Het resultaat is een stroom die door drie verschillende kabels loopt, waarbij de spanning in elke draad eruitziet als in de afbeelding hieronder.
Naast het voorkomen van potentiële nulpunten heeft deze 3-faseconstructie nog een groot voordeel: je hebt minder kabels nodig dan je zou denken. Om dit in te zien is het belangrijk om op te merken dat de som van alle drie de kabels op ieder tijdstip een spanning van nul volt heeft. Je zou dus de stroom kunnen opwekken, en de kabels vervolgens samen laten komen in één centraal punt, zonder dat er nog stroom afgevoerd moet worden – zie afbeelding 7. Op het punt van samenkomst heffen alle drie de stromen elkaar immers ook op.
Deze drie-fase-energie is momenteel de meest gebruikte vorm van elektriciteit die het hoogspanningsnet gebruikt. Dat is ook te zien aan de elektriciteitsmasten: altijd is het aantal kabels dat aan een hoogspanningsmast hangt een veelvoud van drie. (Vaak is er wel een extra kabeltje op de top voor bliksemafleiding. Aparte teruggaande kabels voor lekstromen worden in hoogspanningsmasten in het algemeen niet gebruikt.)
Wisselspanning is ook niet alles!
Wisselspanning heeft echter ook enkele nadelen. Het grootste nadeel van wisselspanning is dat er rondom de kabels áltijd een variërend elektrisch veld is, wat energie uitstraalt op vergelijkbare manieren als we hierboven zagen bij de wet van Lenz. Een gelijksspanningskabel zou dit probleem niet (of minder) hebben. Het energieverlies is weliswaar klein over korte afstanden, maar voor lange afstanden kan het problematisch worden.
Daarnaast heeft wisselspanning nog een groot probleem: het zogenaamde skin-effect. Zoals ik al eerder opmerkte, is het zo dat de natuur nooit zin heeft in verandering. Dit principe is de basis voor de wet van Lenz. Wisselspanning is echter, by design, continu aan het veranderen. Die verandering van het elektrische veld induceert weer magneetvelden binnenin de kabels. Deze magneetvelden wekken vervolgens weer stroom op om de wisselspanning tegen te werken. Deze opgewekte stromen binnenin de kabels heten ook wel Eddy-stromen. Ze hebben als gevolg dat de stroom aan de binnenkant van de kabel bijna volledig teniet wordt gedaan, en dat de geleiding bijna alleen maar aan de rand gebeurt. Dit probleem is enigszins tegen te gaan met speciale kabels, maar uiteindelijk blijft het zo dat de weerstand van de kabels bij wisselspanning altijd kunstmatig ‘hoger’ is, doordat niet het volledige volume van de kabel gebruikt kan worden.
Zoals ik al eerder schreef: gelijkspanningsnetten met een hoge spanning zijn in principe ook heel nuttig. Moderne innovaties maken het rendabel om gelijkspanningen te transformeren tot heel hoge voltages. Een ander groot voordeel is dat gelijkspanningskabels tussen stroomnetten met verschillende frequenties gebruikt kunnen worden. Dit soort gelijkspanningskabels voor hoogspanning worden dan ook vooral gebruikt voor internationale verbindingen. In Nederland hebben we bijvoorbeeld dit soort kabels vanuit de Eemshaven in Groningen naar Noorwegen en Denemarken lopen. Hoe dit precies werkt bespreek ik in een vervolgartikel.
En de conclusie?
In dit artikel heb ik het gehad over de praktische grenzen van stroom, en de reden dat wisselspanning en hoge voltages zo relevant zijn en dagelijks gebruikt worden. Uiteraard omvat alles wat ik hier kon schrijven slechts een fractie van alle feitjes en kneepjes die ons hoogspanningsnet mogelijk maken. Een vervolgartikel met meer informatie en verdere interessante voorbeelden is dan ook in de maak!
Foto voorpagina: Michael Coghlan.