Soms zit het elektriciteitsnet in Nederland vol. Op zo’n moment kan niet alle gewenste stroom getransporteerd worden. Dat heet netcongestie, congestie betekent verstopping. Die ontstaat doordat er soms een te hoog aanbod van stroom is, of juist een te hoge vraag. Dit is een probleem voor de energietransitie.
De energietransitie komt kort gezegd neer op het vervangen van fossiele energiebronnen (gas, kolen, olie) door duurzame, zoals wind, water en zon. Omdat deze energiebronnen elektrische energie opleveren, betekent dit dat er meer elektriciteit getransporteerd zal moeten worden. Dit wordt versterkt doordat we sowieso steeds meer (elektrische) energie gebruiken.
Dit grotere transport leidt soms tot congestie. We onderscheiden twee soorten netcongestie: afnamecongestie en opwekcongestie. De eerste betekent dat de vraag naar elektrische energie hoger is dan wat het net op dat moment kan leveren. En de tweede is het omgekeerde: er wordt meer energie opgewekt dan wat het net kan transporteren.
Dit is geen theoretisch probleem. In de praktijk heeft het huidige net steeds vaker onvoldoende transportcapaciteit. Dat hoor en lees je ook in het nieuws. Bijvoorbeeld in de provincie Utrecht waar (tijdelijk) geen nieuwe aansluitingen van woningen en bedrijven op het netwerk aangelegd kunnen worden.
Ook de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) besteedt aandacht aan dit probleem, bijvoorbeeld omdat bedrijven regelmatig geen zwaardere aansluiting kunnen krijgen.
Hoe ontstaat netcongestie?
Wat gebeurt er bij netcongestie? Waardoor kan er niet voldoende elektrische stroom getransporteerd worden in het net? Op de site van de ondernemersorganisatie en werkgeversvereniging VNO-NCW staat het volgende:
|
“Vergelijk netcongestie met de ochtendspits op de snelweg: wanneer er meer auto’s zijn dan de weg aankan, sta je vast. In een file beweegt het verkeer langzamer of staat het stil. Dit zorgt voor vertraging. Bij netcongestie kan dit leiden tot stroomuitval of een verminderde kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening.” |
Dit is een eenvoudig en doeltreffend beeld, dat bovendien aansluit bij de dagelijkse ervaringen op snelwegen. Tegelijkertijd: iedereen die wat van natuurkunde weet, begrijpt dat het een onjuiste vergelijking is. Elektrische stroom vertraagt niet als de stroomsterkte toeneemt. Ook ontstaat er geen opstopping door een of andere klont elektriciteit. Op de site van de RVO wordt het al beter omschreven, namelijk: netcongestie is eigenlijk een ander woord voor overbelasting.
Deze overbelasting kan zich voordoen in het gehele elektriciteitsnet. Van de hoogspanningskabels van masten die je in het land ziet staan, tot aan de kabels die de huizen van afnemers binnenkomen in de meterkast. Het zal met name ontstaan op piekmomenten, als er te veel vraag is of juist te veel aanbod is van elektrische stroom.
Overbelasting
De vraag is dus eigenlijk: hoe ontstaat overbelasting? Het antwoord op die vraag is eenvoudig: door elektrische weerstand. Maar hoe dan precies? En hoe uit zich die overbelasting? Laten we eens kijken hoe we daar met wat natuurkunde een goed beeld van kunnen krijgen. Hieronder beschrijven we drie gevolgen van weerstand.
Warmteontwikkeling
Doordat een stroomkabel weerstand heeft, veroorzaakt een elektrische stroom warmte in de kabel. Het vermogen van die warmte gegeven we weer met $P$ . De formule hiervoor is:
$P=I^2\cdot R$
Met de formule is te zien dat bij zowel een grotere vraag naar stroom als bij een grotere afname van stroom de ontwikkelde warmte in de kabel kwadratisch stijgt. Omdat de kabel bij verhitting uitzet, kunnen hoogspanningskabels hierdoor gaan doorhangen, wat het risico op kortsluiting vergroot. Bij geïsoleerde kabels kan de isolatie beschadigen waardoor het risico op storing of zelfs brand toeneemt. Nog los van deze risico’s betekent warmteontwikkeling ook verlies van energie.
Opgave warmteontwikkeling
Een hoogspanningskabel (diameter 3,0 cm) van aluminium transporteert elektrische energie over een lengte van 2,0 km.
1. Laat zien dat de weerstand van de kabel 0,076 Ω is
We gebruiken: $R=\rho\frac{l}{A}$
De doorsnede van de kabel is : $A=\pi r^2=\pi(0{,}015)^2=7{,}07\cdot 10^{-4}\,\text{m}^2 $
Dan: $R=2{,}70\cdot 10^{-8}\cdot\frac{2,0\cdot 10^3}{7{,}07\cdot 10^{-4}}=0{,}076\,\Omega $
2. Normaal gesproken loopt er een stroom van 1,0 kA door de kabel. Door een storing op een andere plek in het net neemt de stroom tijdelijk toe tot 2,0 kA. Bereken de toename in warmteontwikkeling.
Vermogen bij 1,0 kA: $P=I^2 R=(1,0 \cdot 10^3)^2\cdot 0{,}076=1,0\cdot 10^6\cdot 0{,}076=0{,}76\cdot 10^5\,\text{W}$
Vermogen bij 2,0 kA: $P=I^2 R=(2,0 \cdot 10^3)^2\cdot 0{,}076=4,0\cdot 10^6\cdot 0{,}076=3{,}04\cdot 10^5\,\text{W}$
De warmteontwikkeling is het verschil van deze twee: $\Delta P=2{,}28\cdot 10^5\,\text{W}$
3. De kabel heeft een massa van 3,8 Mg. Bereken de stijging in temperatuur na 10 minuten.
Warmte-energie: $Q=P\cdot t=2{,}28\cdot 10^5\cdot 600=1{,}37\cdot 10^8\,\text{J}$
Temperatuur volgt uit $Q=m\cdot c\cdot\Delta T$
met $c=0,88\cdot 10^3\;\text{J}\,\text{kg}^{-1}\,\text{K}^{-1}$
Dus: $\Delta T=\frac{Q}{mc}=\frac{1{,}37\cdot 10^8}{3,8\cdot 10^3\cdot 0,88\cdot 10^3}=40,9^\circ\,\text{C}$
Dat is dus ruim 40 °C temperatuurstijging in 10 minuten.
Spanningsval
Een ander effect van stroom door een weerstand is spanningsval. Het verlies aan energie betekent dat de spanning aan de kant van uitvoeding van de draad lager is dat aan de kant van invoeding. Dat spanningsverschil $\Delta U$ kunnen we berekenen met de bekende formule van weerstand.
$\Delta U=I\cdot R $
Hoe groter de stroom in de kabel hoe meer de spanning zakt. Omdat veel apparaten bij een bepaalde spanning moeten werken, kan een lagere spanning ook tot storingen leiden. Denk aan de apparaten in huis, die werken op 230 V, maar bij lagere spanning werken ze niet of niet goed.
Opgave spanningsval
In een woonwijk heeft een ondergrondse koperen kabel (doorsnede van 1,5 cm²) een lengte van 800 m. De netspanning bij het transformatorstation bedraagt 230 V. Op een winteravond gebruiken veel huishoudens hun elektrische verwarming. De totale stroom door de kabel loopt hierdoor op tot 180 A.
1. Laat zien dat de weerstand 0,18 Ω is.
$R=\rho\frac{l}{A}=17\cdot 10^{-9}\cdot\frac{800}{1,5\cdot 10^{-4}}=0{,}091\,\Omega $
De kabel gaat ook weer terug, de totale weerstand is dus $2\cdot 0,091=0,18\,\Omega $
2. Bereken de spanning bij de huizen aan het eind van de 800 meter.
$\Delta U=I\cdot R=180\cdot 0,18=32,4\,V$
Dus de spanning bij de huizen is: $230\,-\,32,4=197,6$
3. De netbeheerder hanteert de regel dat de spanning niet meer dan 5% mag dalen. Wordt daaraan voldaan?
De daling berekenen we met: $100\,\text{%}\cdot\frac{230\,-\,197,6}{230}=14,1\,\text{%}$
Er wordt dus zeker niet voldaan aan die eis.
Transformatoren
Het elektriciteitsnet werkt met verschillende spanningen. De hoogste (380.000 V) vinden we in de hoogspanningsleidingen in het land. Gebruikers werken met lagere spanningen. De meeste treinen rijden bijvoorbeeld op 1500 V en afnemers in woonhuizen krijgen 230 V. Voor het omzetten van de ene spanning naar de andere zijn er veel transformatoren opgenomen in het net. Een transformator bestaat uit grote spoelen elektriciteitskabel. En die kunnen ook last hebben van een te grote stroom. Ook daar kan een te grote warmteontwikkeling leiden tot schade of storing. Maar een ander probleem is dat door de warmte de kabels uitzetten en bij afkoeling weer krimpen. Dat zorgt voor mechanische krachten in de spoelen die daardoor ook kunnen vervormen en storing kunnen veroorzaken.
Nogmaals netcongestie
Netcongestie (of overbelasting) betekent dus niet dat er een file ontstaat op het elektriciteitsnet. Overbelasting betekent dat het net niet meer kan voldoen aan de kwaliteitseisen (te lage spanning, mogelijke storingen) maar ook aan veiligheidseisen (kortsluiting en brand) en stabiliteit (schade aan het net).
Oplossing en aanpak
Er zijn meerdere aspecten aan de oplossing van netcongestie. Als eerste kun je kijken naar het voorkomen van netcongestie op het huidige netwerk. Dit doen de netbeheerders door vraag en aanbod beter op elkaar af te stemmen. Dat kan door bedrijven en huishoudens stroom te laten gebruiken op het moment dat het net minder belast wordt. Piekmomenten van stroomverbruik zijn van 7:00 – 9:00 uur en van 16:00 – 21:00 uur. Het is dan dus verstandig om auto ’s nachts op te laden, of de was overdag te draaien. Bedrijven kunnen ook met een planning van hun energieverbruik of met opslag van energie zorgen voor betere afstemming. Meer details over deze mogelijkheden staan ook op de site de het RVO.
Een tweede aanpak van het probleem van netcongestie is: zorgen dat het netwerk meer capaciteit krijgt. Dit betekent een forse uitbreiding en verzwaring het net. Netbeheerders investeren veel tijd en geld in het leggen van nieuwe kabels, het bouwen van extra transformatorhuisjes en het verzwaren van verdeelstations. Voor het landelijke netwerk staan plannen op de site van TenneT, de beheerder van het landelijke hoogspanningsnet.
