Kwaliteit van onze stroom

Deze week een interessant artikel in het FD over schade door een slechtere kwaliteit van onze stroom. Over hoe wij gewend zijn aan niet alleen een constante, maar ook een kwalitatief zeer hoogwaardige elektriciteitsvoorziening. Enkele maanden geleden schreef ik een blog over onze technische infrastructuren naar aanleiding van de zwaardere belasting van ons elektriciteitsnet door nieuwe vormen van zowel levering (wind en zon) als gebruik van elektriciteit (auto). De afgelopen vijftig jaar werd elektriciteit één van de belangrijkste energiebronnen voor onze maatschappij. Onze datacenters en IT-industrie vallen of staan met elektriciteit. Een huis of kantoor zonder elektriciteit is niet meer voor te stellen. Zowel via kabels als mobiel is elektriciteit onlosmakelijk met onze welvaart en toekomst verbonden.

Vormfactoren

Al tijdens mijn studie elektrotechniek berekende ik vormfactoren in elektriciteitsnetten en circuits. Dat was de tijd dat we schakelende elektronica ontdekten om elektriciteit makkelijker te beheersen. Componenten waarmee we grote vermogens konden besturen; vermogenselektronica werd uiteindelijk mijn afstudeer-vak. Met door elektronica gestuurde thyristors om stromen aan en af kunnen schakelen en vermogens te regelen. Niet vreemd dat mijn eerste werkgever Holec/Smit Slikkerveer was, waar ik werd aangenomen om te werken aan een opdracht voor de nieuwe elektronisch gestuurde trams van de HTM. Trams die elektronisch moesten kunnen aanzetten en remmen. Recuperatie van elektrische remenergie naar andere energie-gebruikende trams. Met elektronica het op 420 Hz schakelen van spanningen van 600 volt en stromen tot 400 ampère. Voor die tijd een serieuze technische grens en uiteindelijk toegepast bij de 65 GLT 8 tramstellen.

Een jaar later kwam de NS met de vraag of we dat ook voor het Intercitymateriaal konden ontwikkelen. Een stapje lastiger met 1500 volt en aanzetstromen tot 700 ampère. Maar ook dit lukte en nog steeds zie en hoor (schakelfrequentie!) ik deze chopper-gestuurde treinen veertig jaar later nog steeds rijden. Grote elektrische vermogens die toch geen storingen in het net mochten opleveren. Uitgekiende frequentiekeuzen voor de choppers – of hakselaars, zoals de Belgen zo mooi zeggen – opdat seinen en beveiliging niet werden gestoord. En vele berekeningen naar temperaturen in en rond installaties, zowel in winter als in hoog zomertijd. Want hoe houd je als je honderden kilowatt schakelt, de dissipatie beheersbaar.

Grote vermogens

Het is als leek bijna niet voor te stellen hoe het is om industrieel te werken met grote elektrische vermogens. Op afstand lijkt het simpel, maar het vergt enorme technische inspanningen om dit mogelijk te maken. Ik herinner me dat we voor de proefstand voor de NS-choppers een rijcyclus van een trein moesten simuleren. Met twee motoren die een vliegwiel in een duurtest dagenlang continu moesten versnellen en vertragen.

Dat vliegwiel werd speciaal bij de Hoogovens gegoten en was 1 meter in lengte en 1 meter in diameter en woog ruim 5 ton. En dat vliegwiel versnelden we dan tot 3000 toeren; een simulatie van een treindeel dat dan 140 kilometer per uur reed. Samen met mijn collega's heb ik wel eens berekend welke energie we in dat vliegwiel stopten. En mocht het ooit uit de lagers springen, waar het ergens in Nederland uiteindelijk zou stoppen met rollen. Dat geeft je pas een echt gevoel over wat energiedichtheid werkelijk is.

Ik herinner me de opdracht uit die tijd voor een kunststof vliegwiel voor een elektrische bus. Een opstelling waarbij het vliegwiel tot duizenden toeren werd opgejaagd met de vrijkomende remenergie. En weer werd gebruikt bij het aanzetten. Een horizontaal draaiend kunststof vliegwiel omdat anders de torsiekrachten op de lagers te groot zouden zijn. Helaas nooit in productie genomen omdat het toen nog te kostbaar was en ook te veel ruimte in beslag zou nemen. Of ook de slim samengestelde geluidsarme choppers voor de sluipvaart van onderzeeërs; als men onder water de aandrijvende elektromotor met accu's langzaam moest laten draaien om in de stroming op de plek te blijven. In losse samenbouwbare modules omdat de installatie via mangaten in de reeds bestaande onderzeeërs moesten worden ingebouwd. Of de stralingsarme choppers voor boegschroeven van mijnenjagers. Stralingsarm om bij het manoeuvreren tussen mijnen geen geluid en magnetische straling uit te zenden. Allemaal prachtstukjes van sterkstroomtechniek die we industrieel toen al konden bouwen. Het blijft een prachtvak.

Kwaliteit

Intussen is vermogenselektronica de huiskamer binnengekomen. De afgelopen twintig jaar dimmen we lampen, converteren we zonnepanelen en regelen we digitaal steeds grotere vermogens. Op een elektriciteitsnet dat nog ongeveer de architectuur heeft van 100 jaar geleden. Enkele grote centrales, die onderling verbonden hun elektrische energie via midden-spanning netwerken uitdragen naar de grootgebruikers en naar de haarvaten van de steden en dorpen. Met spanning en stroom in fase strak gereguleerd op nu 230 Volt en 50 Hz. Elektriciteit is fluïde en verplaatst zich met een snelheid van iets minder dan de lichtsnelheid door de koperen netten. Daarom is het in balans houden van gekoppelde infrastructuren zo'n grote uitdaging. We hebben heel Europa intussen aan elkaar gekoppeld en het vraagt veel intelligentie om zo'n enorme infrastructuur niet alleen spannings- en frequentie-technisch in balans te houden, maar ook kwalitatief.

Die kwaliteit is een enorme optelsom van alles wat er in en rond dat netwerk gebeurt. En die kwaliteit bepaalt of een aangesloten systeem goed kan functioneren. Of dat apparatuur extra slijt als de spanning te vaak te hoog is. Geen storingen geeft als de spanning fluctueert. Geen brandgevaar oplevert bij piekbelastingen. Het is een slang die in zijn eigen staart bijt. Enerzijds gebruiken we steeds meer 'geschakelde' voedingen om van de wisselspanning een gereguleerde gelijkspanning te maken. Anderzijds brengen gelijkstroom zonnepanelen converters met zich mee die weer wisselspanning moeten maken om die zonne-energie aan het elektriciteitsnet te kunnen koppelen. En al die schakelende elektronica levert vervuiling op, niet alleen op het net zelf, maar ook ruimtelijke stralingsvervuiling; zie mijn blog elektrosmog hierover.

Toekomst

Elektriciteitsleveranciers leveren voor ongeveer 5 cent per kilowatt hun schone sinusgolf aan het hoogspanningsnet. Via midden- en laagspanningsnetten wordt het deels vervuild uiteindelijk voor 25 cent per kilowatt (huishoudens) tot wel 70ct per kilowatt (commerciële laadpalen) aan de consument geleverd. Een deel van die extra kosten zijn reële transportkosten, maar meer dan 50% is gewoon platte belastingheffing door de overheid. Iets waar we niet buiten kunnen, blijft immers de beste bron voor belastingheffing.

Zoals het artikel in het FD al aangeeft, zullen de kwaliteitsproblemen blijven toenemen. Elektriciteit zal steeds belangrijker worden in onze energievoorziening. Terwijl ons netwerk daar niet klaar voor is. FD haalt een onderzoek aan uit 2007 waar de jaarlijkse schade door onvoldoende kwaliteit van onze elektriciteit toen al werd geschat op 150 miljard euro per jaar. Die schade zal nu niet alleen al veel hoger zijn, maar ook blijven toenemen. Industrie, datacenters en ziekenhuizen zorgen al voor eigen stabilisatie, cleaning, peak-shaving en no-break oplossingen. Wellicht tijd om in onze huizen en meterkasten ook zoiets te gaan doen. Opdat we ook achter de voordeur onze elektrische kwaliteit zelf kunnen (blijven) beheersen.

Door: Hans Timmerman (foto), directeur van Fortierra