industry 3081477 340Het elektriciteitsnet is zoals een levend organisme. Het zag in België voor het eerst 'het licht' in 1885 te Brussel. Het is sedertien maar blijven groeien, en kan net zoals ieder levend wezen niet zomaar in een mum van tijd veranderd worden, al denken onze 'almachtige' poltici en journalisten dat dit wel kan. De black-out-outs zijn niet ver meer.

 

 

 

De omgang met infrastructuur

Er zijn van die dingen die we voor vanzelfsprekend houden, terwijl ze het helemaal niet zijn. Een daarvan is de elektrische infrastructuur. Als we niet toevallig een hoogspanningslijn in ons blikveld hebben zien we ons elektriciteitsnet niet: we nemen het niet eens waar. Desondanks is het alomtegenwoordig. En het is immens. Denk eens aan al die hoogspanningsleidingen, transformatoren, schakelstations, controlekamers, leidingen boven en onder de grond. Dat heeft miljarden en miljarden gekost; het is het werk van een eeuw. Indien dat ooit zou ophouden te functioneren komt het land geluidloos tot stilstand. Niets gaat nog. Geen tram, geen trein, geen verkeerslichten, geen lift en, zodra de batterij leeg is, zelfs geen tandenborstel meer.

We stellen ons dat ongeveer zo voor:

eleknetwerk

Hoe naïef deze voorstelling ook lijkt, toch bevat ze een sleutelelement voor onze discussie: het gaat hier om transport van weinigen (producenten) naar velen (verbruikers). Dat moeten we even onthouden; daarop komen we nog terug.

We begrijpen niet echt hoe dat allemaal werkt. Die wolk staat voor duizenden elementen waarvan we nauwelijks een voorstelling hebben. Zelfs de componenten die we denken te begrijpen, zoals een stuk kabel of een isolator, zijn in werkelijkheid complexe hightech objecten. We hopen maar dat iemand anders het allemaal snapt. Zo gaat dat vandaag met heel veel dingen.

Hoe raar het ook mag klinken: dit immens complex en duur, levensnoodzakelijk artefact werd nooit bewust ontworpen! Dat kon ook niet, want toen we er een goede eeuw geleden aan begonnen had niemand er een idee van hoe het er uiteindelijk uit moest gaan zien. En dat idee hebben we ook nu nog altijd niet. Het is niet het resultaat van een rationeel design, maar van een evolutionair proces. Zoals een stuk oerwoud, of zoals wij zelf: homo sapiens, is het gevormd in een lange geschiedenis met een groot aantal stappen. Iedere stap probeerde een antwoord te vinden op een probleem dat zich toen acuut stelde. Niemand was/is in staat om twee stappen verder te zien.

Het resultaat is er niet minder indrukwekkend om. Deze gigantische ‘creatuur’ maakt onze moderne levenswijze mogelijk. Het doet dat zo effectief en robuust dat men zich moet afvragen of een rationeel ontworpen systeem ooit beter had kunnen werken onder die steeds onvoorspelbaar wisselende omstandigheden. Het is voor ons tegelijkertijd een zegen en een vloek. Enerzijds bewijst het ons enorme diensten, anderzijds beperkt het sterk onze speelruimte.

Het is wel intuïtief duidelijk dat we niet gewoon ons elektrisch net kunnen vervangen, hoe verlokkend de voordelen ook mogen zijn. Een dergelijk project overstijgt onze organisatorische, financiële, politieke en vooral maatschappelijke capaciteiten torenhoog. Een goede vuistregel voor innovaties is: als ze te veel en te snelle verandering van de infrastructuur vereisen, dan zal het project mislukken. Desondanks moet en zal onze infrastructuur veranderen. Maar ze kan en zal dat enkel doen zoals ze het al altijd gedaan heeft: in kleine stappen, ad hoc, evolutionair en reactief. Voor de postmoderne mens, met zijn fixatie op de ‘maakbare wereld’ is dat moeilijk te slikken. Daardoor ontstaat een zeer onwelkome verdere hinderpaal voor een rationele behandeling van dit sowieso al heel lastig probleem.

Waarom de dingen zijn zoals ze zijn

Om iets meer inzicht in dit fenomeen te krijgen bekijken we best even het allereenvoudigste geval dat hier denkbaar is. We willen elektrische energie overbrengen van P (producent) naar V (verbruiker). Na uitsluiting van alle meer avontuurlijke alternatieven blijft één mogelijkheid over: een elektrische geleider, een draad dus, van P naar V.

Uiteindelijk willen we vermogen overbrengen. Dat is natuurlijk wel met spanning en stroom verbonden, op volgende wijze:

P = E • I (1)

daarin:

  • P is vermogen in watt

  • E is spanning in volt

  • I is stroom in ampère

Zoals bij iedere energietransfer zijn er ook hier verliezen. Noemen we Pv (in Watt) het ‘verloren gegaan vermogen’ dan is

Pv = R • I2 (2) want P = E • I en E = R • I

daarin:

  • R is de elektrische weerstand van de draad in ohm (definitie: R is de elektrische eigenschap van materialen om de doorgang van elektrische stroom te belemmeren.)

  • I is de stroom in ampère die door de leiding vloeit.

Pv wordt in de vorm van warmte aan de omgeving afgegeven. Niet enkel het verlies is hier een probleem, maar ook het feit dat de apparatuur te warm wordt en daardoor beschadigd kan worden.

In (2) is weerstand(3)

  • ρ is de soortelijke weerstand van het materiaal

  • L is de lengte (in m) van de kabel

  • S is de sectie (in m2) van de kabel

Wat dan bij de klant bruikbaar aankomt is P - Pv

Er zijn nog een aantal andere wijzen waarop energie verloren gaat bij het transport. Voor ons, die enkel de grote samenhangen willen zien, zijn die van minder belang.

Stelt u a.u.b. niet voor dat ik u hiermee de situatie ook maar bij benadering volledig beschreven heb. Er gebeuren nog allerlei andere, meer gecompliceerde dingen, vooral als we wisselstroom en/of hoge spanningen gaan gebruiken. Maar deze simpele samenhangen zijn zelfs onvolledig toch onbetwijfelbaar juist en ook voldoende om de belangrijkste fenomenen te begrijpen.

We zien nu het volgende:

Als we (2): Pv = R • I2 bekijken zien we dat we een lage stroomsterkte willen om de verliezen klein te houden.

Uit (1): P = E • I blijkt dat dit, voor een gegeven vermogen, enkel kan ten koste van een hoge spanning. Dus gaan we de spanning zo hoog mogelijk maken. Maar hoge spanningen brengen hun eigen problemen mee. We kunnen de veiligheid hier buiten beschouwing laten. Na anderhalve eeuw ervaring zijn materiaal en procedures in de elektrotechniek ondertussen zo verfijnd dat ook met zeer hoge spanningen veilig gewerkt kan worden. De transmissieapparatuur (leidingen en toebehoren) wordt bij zeer hoge spanningen echter fors duurder. Het gaat hier dus om een optimalisatieopgave. In het algemeen zal men voor grotere afstanden hogere spanningen opzoeken.

Die logica leidt dus tot volgende opstelling:

hoogspanning

In ons land wordt de ruggengraat van het systeem gevormd door 380 kV lijnen. Bij de relatief korte afstanden is er ook weinig motivatie om naar nog hogere spanningen te gaan. In China wordt momenteel een systeem van 1 100 kV  over een afstand van 3000 km gebouwd 2. Dat werkt alleszins met gelijkstroom.

Bij de vele problemen met wisselstroom (capacitieve verliezen1 etc.) is vooral het zogenaamde ‘skin effect’ belangrijk. Dat betekent dat stroom bij voorkeur langs de buitenkant van de geleider vloeit en die dus onvolledig benut wordt. Dit fenomeen wordt veroorzaakt door het feit dat elektrische stroom altijd een magnetisch veld opwekt. In het geval van wisselstroom dus een wisselveld. Men kan hier iets tegen doen door in plaats van één kabel met grote diameter meerdere dunnere te gebruiken, voor onderaardse leidingen zelfs echte kabelbundels. Dat gebeurt dan ook. Het helpt, maar het is geen echte oplossing. Bij gelijkstroom bestaat dit fenomeen echter gewoon niet. Alleen brengt werken met gelijkstroom een enorme extra rompslomp mee. We moeten de wisselstroom eerst gelijk richten, en er dan overal waar we willen aftappen terug wisselstroom van maken. Want enkel wisselstroom kunnen we naar lagere spanningen transformeren. Dat is vandaag weliswaar met halfgeleidertechniek realiseerbaar, maar het betekent toch een aanzienlijke extra kost. Voor hoge vermogens en lange afstanden loont het echter en dus wordt het dan ook gedaan.

De jacht naar steeds hogere spanningen, waarbij ook gelijkstroom aantrekkelijker wordt, blijft onverminderd duren.

We hebben echter nog andere middelen om Pv in (2): Pv = R • I2 te verkleinen: we kunnen R minimaliseren.

Kijkend naar (3): weerstandhebben we daarvoor twee aanknopingspunten: ρ en S. De derde parameter: L, de afstand, is gegeven. Daar kunnen we niets aan doen.

ρ, de soortelijke weerstand is een materiaaleigenschap. Hier willen we dus een zo laag mogelijke waarde. Bij de metalen zijn er nogal wat goede elektrische geleiders. Ik noem de vier beste, in stijgende volgorde van soortelijke weerstand:

  • Zilver 1,59 10-8 ohm.meter
  • Koper 1,75 10-8 ohm.meter
  • Goud 2,2 10-8 ohm.meter
  • Aluminium 2,66 10-8 ohm.meter

Praktisch zijn hier enkel koper en aluminium ernstige kandidaten, alhoewel in de Verenigde Staten gedurende de Tweede Wereldoorlog zilver gebruikt werd. Er was een extreme koper schaarste en de Amerikanen hadden in Fort Knox honderden tonnen zilver liggen als deel van de dekking van de dollar door edelmetaal. De US-regering meende terecht dat haar zilver even veilig was wanneer het aan hoogspanningsmasten hing als in de bunkers van Fort Knox. De geschiedenis heeft ze gelijk gegeven. Na de oorlog werd de situatie dan terug genormaliseerd. De hele toch nogal bewerkelijke operatie werd ruimschoots terugbetaald door de besparingen als gevolg van de geringere verliezen door de iets kleinere soortelijke weerstand van het zilver!

Koper lijkt het best en werd ook veel gebruikt. De soortelijke weerstand van aluminium is echter slechts 50% hoger. Bovendien is koper per ton 4,5 maal duurder dan aluminium. En het soortelijk gewicht van koper (8,79) is beduidend hoger dan dat van aluminium (1,8). We kunnen dus het verschil in soortelijke weerstand gemakkelijk door meer volume (doorsnede S • L) aluminium compenseren en toch nog veel goedkoper uitkomen. Daardoor zijn de meeste hoogspanningsleidingen vandaag uit aluminium vervaardigd.

Een laatste mogelijkheid tot verkleining van R is S (de kabeldoorsnede) vergroten. Hoe ver we daar mee willen gaan is uiteraard weer het onderwerp van een optimalisatieberekening.

We hebben in principe ook de keuze tussen onder- of bovengrondse leidingen. Die hebben allebei hun specifieke voor- en nadelen. Ondergrondse leidingen zullen iets meer verliezen hebben doordat ze door aarde omgeven zijn. Daardoor ontstaan hogere capacitieve 1 verliezen. We zullen ze dus meestal voor lagere spanningen (36 kV en lager) en kortere afstanden gebruiken. Bovengrondse leidingen zijn, ook bij lage spanningen, bijna altijd het goedkoopste alternatief. Maar de kosten zijn hier niet het enig criterium. De bedrijfszekerheid van ondergrondse kabels is – doorgaans – beduidend hoger, en ook het landschap heeft zijn rechten.

In het licht van voorgaande informatie zijn we nu in staat te begrijpen hoe en waarom ons elektrisch net in het verleden geëvolueerd is tot dat wat we nu hebben. Om vanuit een beperkt aantal producenten P1….u een groot aantal verbruikers V1….v te bedienen hebben we een gelaagd systeem nodig, met als ‘backbone’ krachtige 380 kV luchtleidingen, van waaruit lokale netwerken, al dan niet bovengronds, door middel van transformatoren op lagere spanningen gevoed worden. Meestal bestaan daarvan ook weer meerdere ‘lagen’ waarvan de spanning trapsgewijze naar beneden gaat.

Uitdagingen van het net

Het net moet voortdurend in evenwicht gehouden worden. Het aanbod en het verbruik moeten op elkaar afgestemd zijn. In een geringe mate gebeurt dat automatisch. Als het verbruik te hoog wordt, zal de spanning dalen en daardoor daalt het verbruik weer iets. Zo stabiliseert het systeem zichzelf. We moeten daaruit echter geen misplaatste geruststelling putten: dit werkt slechts binnen enge marges. Als we daarbuiten gaan, stort het net in. Het is dus noodzakelijk dat we te allen tijde reservecapaciteit hebben klaarstaan om bij een plots opduikend tekort in te springen. Grote thermische centrales hebben behoorlijk wat tijd nodig om op te starten en zijn hiervoor dus niet bijzonder geschikt. Kerncentrales al helemaal niet; die zijn wel zeer goed bruikbaar voor de grondlast, maar we kunnen ze best altijd laten doorlopen. Het meest geschikt voor de rol van ‘brandweer’ zijn gasturbines, die we praktisch met een vingerknip kunnen starten. Ongelukkigerwijze is dat nu net ook de duurste vorm van elektriciteitsproductie. Bovendien hebben die dingen niet zo’n geweldig rendement. Dat laatste kan verholpen worden door de warmte-energie uit de verbrande gassen ook nog te recupereren. Dat vereist dan weer bijkomende investeringen.

Elektriciteit in het buitenland kopen is een optie, zolang we maar beseffen dat Franse elektriciteit voor het grootste deel uit kerncentrales komt. Mij stoort dat hoegenaamd niet, maar onze milieuactivisten waarschijnlijk wel!

Het zal U ondertussen duidelijk geworden zijn: dat netwerk is onvermijdelijk een dure aangelegenheid. De kosten overstijgen die voor de stroomgeneratie en dat betreft zowel investeringen als onderhoud. Uw stroomrekening toont dat niet. Die toont u overigens ook niet dat er een nog belangrijker kostenfactor is dan generatie en verdeling: de taksen en belastingen die vader staat op een dozijn meer of minder verborgen manieren overal in het proces int. Daardoor is uw stroomrekening afgekoppeld van de fysische realiteit. Ze wordt hoofdzakelijk gestuurd door politieke wil, en dat biedt mogelijkheden. Als we willen ‘verkopen’ dat hernieuwbare energieën competitief worden door wetenschappelijk-technische vooruitgang, dan moeten we geen moeilijke research en ontwikkeling doen, maar enkel via die belastingen de prijs van de elektriciteit zo doen stijgen dat hij hoger wordt dan die van stroom uit alternatieve bronnen. Het is (even) niet mijn bedoeling hier over de politici te gaan zeuren, maar als we de ongerijmdheden in de discussie willen begrijpen hoort dat er ook bij.

De problemen met verandering

Het netwerk lijkt wel een levend wezen: het is voortdurend in beweging, er wordt continu aan gewerkt. Dat is problematischer dan we denken. Stel dat ergens een energie-intensieve fabriek gebouwd wordt. Het is onmiddellijk duidelijk dat hiervoor lokaal aan het net uitgebreide aanpassingen nodig zullen zijn. Wat we niet zo direct zien is dat het best kan gebeuren dat daardoor ergens anders, 100 km verder ook een bottleneck ontstaat die moet weggewerkt worden. Het gaat hier om een ontzettend complex geheel, waar heel veel mis kan gaan. Desondanks zijn er vrijwel nooit problemen. Dit wordt echter allemaal afgehandeld door technici onder elkaar. De publieke opinie weet er niets van, interesseert er zich niet voor en de politiek bemoeit er zich niet mee. Dat maakt het nog altijd niet gemakkelijk maar wel doenbaar. Mogelijk wringt deze gedachte met uw begrip van democratie, maar het is niet minder een feit en misschien wel eens het overdenken waard.

Hernieuwbare energie verandert de spelregels fundamenteel

Als we hernieuwbare energiebronnen integreren, hoeft dat eigenlijk niet anders te zijn, tenminste als we het op een natuurlijke en behoedzame manier, en gedreven door economische en technische gezichtspunten, zouden aanpakken. Dat laatste doen we echter niet. Het maakt niet uit of we hier de kinderen die Pieter de Kluizenaar duizend jaar geleden meetroonde, of de volgelingen van de Rattenvanger van Hamelen als voorbeeld nemen: wij hebben het ‘licht’ gezien. De regering stelt bijna onbeperkte subsidiemiddelen ter beschikking. Het enthousiasme is enorm. De tijd van het denken is voorbij: we moeten vastberaden handelen, nu!

En dan gebeuren er twee dingen:

  • Ten eerste keert het paradigma waarop het net gebouwd is zich om. Bij het begin van dit stukje zegden we: “het gaat hier om transport van weinigen (producenten) naar velen (verbruikers) toe”. Dat verandert in “van velen naar velen”. De aandachtige lezer die tot hiertoe goed bij de zaak gebleven is, zal nu de wenkbrauwen fronsen en zeggen: “Maar dan hebben we een volledig ander net nodig!” Inderdaad…

 

  • Ten tweede is het allemaal superdringend. Klimaatalarmisten rekenen ons, hoofdzakelijk op basis van gebakken lucht, voor dat het vijf na twaalf is, dat er geen tijd meer is om na te denken en dat het overleven van de planeet in onze handen ligt. Ik ben er zeker van dat niet iedereen dat gelooft. Maar een aanzienlijk aantal mensen gelooft het wel en is tot alles bereid. Nu is er geen tijd meer voor evolutie: de verandering moet per revolutie doorgezet worden. Ik heb u al verteld dat het systeem door evolutie ontstaan is en zich niet laat forceren. Maar wat nu moet gebeuren komt neer op niets minder dan het herdenken en vervangen van onze volledige elektrische infrastructuur, en dat op vrij korte tijd.

De gevolgen

Ik heb u ook al verteld dat het vervangen van onze infrastructuur onze mogelijkheden torenhoog overstijgt. We kunnen dat niet: het moet op een ramp uitdraaien. Niemand zal dat geloven en dus zal ons geen andere leermethode dan de bittere ervaring overblijven. Er zullen catastrofale black-outs komen, die ongetwijfeld slachtoffers zullen eisen. Ik heb de indruk dat de progressieve journalisten van ‘de Standaard’ ook al zoiets vermoeden. Ergens zullen ze ook wel begrijpen dat het opslagprobleem dat ontstaat doordat hernieuwbare energie in een hoge mate onvoorspelbaar is, nog altijd onopgelost in de ruimte hangt. Dus hebben ze ons onlangs in een artikel verteld dat we ons erop moeten instellen dat er regelmatig langere ‘afschakelingen’ van de stroom in bepaalde streken gaan voorkomen. Ze doen daar heel joviaal over, maar we moeten wel beseffen dat we daarmee naar het niveau ‘ontwikkelingsland’ teruggaan.

Als ik beweer dat wij geen nieuwe infrastructuur kunnen bouwen, zelfs als we er het geld voor hadden, ligt dat ook een beetje aan voornoemde progressieve journalisten. Zij zijn het immers die, bij voorbeeld, totaal ongegronde angst voor de elektromagnetische stralingen uitgaande van hoogspanningsleidingen hebben rond getoeterd. Ernstige studies hebben geen enkel van de paniekerig voorgedragen effecten kunnen bevestigen, maar dat is nog altijd geen bewijs voor afwezigheid en de angst van de mensen, eenmaal geplant, blijft. Ziet u ons al nieuwe hoogspanningsleidingen bouwen? Maar we gaan wel moeten! Kunt u zich die burgerinitiatieven en rechtszaken voorstellen? Daarbij verzinkt de Oosterweelverbinding in het niet! Beneden de tien jaar gaat daar absoluut niet.

Doemdenken? Voor de politieke klasse zijn hier ook echte voordelen aan. Als er black-outs gaan zijn, zullen ongetwijfeld bepaalde geprivilegieerde instellingen en zelfs personen toch van stroom worden voorzien. Kunt u zich voorstellen welke mogelijkheden voor het uitdelen van ‘gunsten’ zich hier weer gaan bieden?

Nu is dat wat ik u tot hiertoe geschilderd heb eenduidig de ‘best case’. We hebben het namelijk niet over elektrische auto’s gehad. Als we dat toch zouden doen, komt er nog eens 7,2 GW vraag bij, te leveren aan een paar miljoen oplaadpunten met een vermogen van ieder 80 kW. Als we dat echt willen doen moeten we, buiten nog eens ingrijpende toevoegingen aan het net en afgezien van de bouw van gascentrales, voor een slordige 6,5 miljard (die volgens mijnheer Tommelein eigenlijk niet mogen: “enkel hernieuwbaar” zegt hij!) praktisch iedere straat in het land omgraven. Sterke prestatie voor een staat die zijn straten niet eens zo kan onderhouden dat ze beter zijn dan in sommige Afrikaanse landen. En dat allemaal (volgens mijnheer Beke op zijn congres) voor 2030!

Het klinkt allemaal rijkelijk idioot. Maar om het tij nog te keren moet praktisch ons volledig politiek en sociaal systeem op zijn kop gesteld worden. Ik zie dat niet gebeuren. u wel?

Conclusies

We lopen met open ogen luidkeels zingend naar de afgrond, alsof we allemaal stomdronken zouden zijn. De situatie ziet er volkomen hopeloos uit, en ik alvast zie geen weg om uit onze lamentabele positie uit te breken.

We stellen vandaag alles in vraag. We maken ook voor alles een kosten/baten analyse, tot en met het punt waar kruideniersdenken onze arbeidswereld totaal verziekt. Nu wil ik ook eens een kosten/baten analyse voorstellen. We zouden ons kunnen afvragen wat die omineuze ‘inspraak’ die sinds 1968 iedereen ondertussen in alle mogelijke vragen bekomen heeft ons eigenlijk netto heeft opgebracht in termen van welvaart en welzijn, geluk, tevredenheid en veiligheid. We zouden dan kunnen onderzoeken wat ze ons kost, ook in dezelfde ‘munt’ gerekend. Het is zo maar een idee…

Er is ooit gezegd: “Inspraak zonder inzicht leidt tot uitspraken zonder uitzicht”. Hoe waar!

Uw Dwarsligger

 

1 Capacitieve verliezen.

Een van onze problemen is dat als we iets construeren, we altijd iets anders bouwen dan dat wat we eigenlijk willen. Hier, bij voorbeeld willen we enkel een draad van P naar V. Wat wij voor dit stukje bekijken is al iets ingewikkelder, namelijk het volgende:

grond01

Een draad met een ohmse weerstand (R). Daar kunnen we niet om heen. We zouden wel willen, en daarom jagen we zo koortsachtig super geleidbaarheid na. Maar zolang dat niet lukt bij omgevingstemperatuur is die R een belangrijke factor die nodig is om het systeem te begrijpen, en dus moeten we dat wel meenemen.

Dat is echter nog altijd een sterke vereenvoudiging van de werkelijkheid. Iets meer realistisch is het volgende:

grond02
 

Daar de isolatoren goed maar niet perfect zijn gaat door RA een stroom IRA naar de aarde ‘lekken’.

Vooral bij onderaardse kabels zal het isolatiemateriaal tussen de geleider en de aarde als zogenaamd ‘diëlektricum’ werken waardoor een condensator gevormd wordt. Condensatoren zijn voor gelijkstroom niet passeerbaar, maar wisselstroom laten ze (in dit geval een beetje) door,

Dat leidt dan tot de verliesstroom IC, de zogenaamde capacitieve verliezen.

Ook een niet gewikkelde kabel heeft toch nog een zeker ‘spoelkarakter’. De ‘impedantie’ L is dus niet nul en vormt een extra weerstand voor wisselstroom.

Maar we wilden toch alleen maar een draad! Tja, die is jammer genoeg in de eenvoud die we wensen niet te krijgen.

Die R is echter voor meer dan 90% van alle fenomenen die wij willen begrijpen verantwoordelijk. Daarom heb ik gemeend me daartoe te kunnen beperken.

 

2 Een zeer aanzienlijke bijdrage aan de technologie van de zeer hoge spanningen werd geleverd door prof. John Trump, die lange tijd in het ‘High Voltage Laboratory’ van MIT op dit gebied werkzaam was. John was, naast een briljante ingenieur en fysicus, ook een toonbeeld van bescheidenheid en intellectuele ingetogenheid. Hij was de oom van de huidige president der Verenigde Staten…