Van centrale naar stopcontact

Elektriciteitscentrales staan vaak ver van de mensen die hun elektriciteit gebruiken. Waterkrachtcentrales staan in de bergen, windparken op winderige plekken en grote centrales in de buurt van water voor koeling. Iets moet het vermogen over tientallen of honderden kilometers vervoeren, en de draden verliezen daarbij een beetje energie als warmte.

De belangrijkste formules. Elektrisch vermogen is P = V × I, spanning maal stroomsterkte. Een draad heeft een kleine weerstand R, en een stroomsterkte I die erdoorheen loopt, veroorzaakt vermogensverlies als warmte:

P_loss = I² × R

Nu komt de truc. Om een vast vermogen P te leveren, kun je een hoge spanning en een kleine stroomsterkte gebruiken, of een lage spanning en een grote stroomsterkte. Omdat het verlies evenredig is met I in het kwadraat, is een kleine stroomsterkte veel voordeliger. Verhoog de spanning met 10 keer en, bij hetzelfde vermogen, daalt de stroomsterkte tot een tiende. Het verlies daalt dan tot een honderdste.

Uitgewerkt voorbeeld (aangenomen lijn). Stuur 100 MW over een lijn met een totale weerstand van 10 Ω. Dit is een vereenvoudigd model met één circuit en een onderwijsgetal; echte driefasenlijnen zijn ingewikkelder.

• Bij 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9.091 A. Verlies = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Dat is meer dan de 100 MW die je wilde versturen: dit kan niet werken.
• Bij 110 kV: I ≈ 909 A. Verlies ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, ongeveer 8 procent.
• Bij 400 kV: I = 250 A. Verlies = 250² × 10 = 0,625 MW, ongeveer 0.6 procent.

Daarom werken lange lijnen met honderden kilovolts.

Hoe verander je de spanning? Met een transformator: twee draadspoelen op een gedeelde ijzeren kern. Een wisselstroom in de eerste spoel veroorzaakt een veranderende magnetische flux, die een EMK opwekt in de tweede spoel. De verhouding tussen de spanningen is gelijk aan de verhouding tussen het aantal windingen: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Een transformator werkt alleen met veranderende flux, en daarom gebruikt het elektriciteitsnet wisselstroom (AC). (Voor sommige zeer lange of onderzeese lijnen wordt in plaats daarvan HVDC met elektronische omzetters gebruikt.) In Field Lab staat een transformatoropstelling als je je eigen spoelen wilt wikkelen.

De gebruikelijke reeks (spanningen verschillen per land):

• Generator: ongeveer 11 tot 25 kV.
• Omhoog transformeren naar transmissie met ongeveer 110 tot 400 kV of meer.
• Omlaag transformeren naar distributie, vaak 11 tot 33 kV.
• Nogmaals omlaag transformeren naar het stopcontact: 230 V in een groot deel van de wereld, 120 V in Noord-Amerika.

Wat gaat er verloren? Over het hele traject, van het hek van de elektriciteitscentrale tot je stopcontact, bedraagt het verlies in veel landen meestal ongeveer 5 tot 10 procent van de elektriciteit, en in sommige landen meer. Een groot deel gaat verloren in de lokale draden met lagere spanning, niet in de hoogspanningslijnen.