Het hart van het Europese elektriciteitsnet klopt op 50 Hz

Natuurkunde

Door ruzie op de Balkan liepen dit voorjaar in heel Europa de magnetronklokjes achter. Het kwam doordat de netfrequentie onder de 50 Hz zakte. Hoe kan dat? Waarom is de netfrequentie 50 Hz? Hoe ontstaat zij?

In maart liepen magnetron- en ovenklokjes ineens ruim vijf minuten achter. Wekkers met een stopcontactaansluiting wekten te laat. Je kon zomaar je trein missen. De oorzaak was: ruzie op de Balkan. Kosovo weigerde elektriciteit te leveren aan een regio, uit protest tegen lokale autoriteiten die hun energierekening niet betaalden. Servië moest dat gat opvullen, was de afspraak, maar deed het niet. Er werd daardoor van halverwege januari tot begin maart te weinig elektrische energie geleverd. Dat leidde in heel Europa tot een verlaging van de netfrequentie. „In Europa zijn alle elektriciteitsnetten aan elkaar verbonden”, vertelt Klaas Hommes, projectmanager bij netbeheerder TenneT. „Als ergens de frequentie verandert, verandert zij overal in Europa.”

Het wordt de komende jaren moeilijker om de netfrequentie in toom te houden, door de opkomst van groene energie. Hoeveel energie wind- en zonneparken leveren, dat hangt van het weer af, waardoor de aanvoer van elektriciteit zal fluctueren.

Staatsbedrijf TenneT is verantwoordelijk voor het transporteren van elektriciteit in Nederland én voor de frequentie en de balans tussen tussen vraag en aanbod. Het etmaal rond houden mannen en vrouwen op het hoofdkantoor van TenneT de frequentie in de gaten.

TenneT handhaaft de balans door, afgestemd op de vraag, vermogen in te kopen op de energiemarkt. Om de netfrequentie constant te houden is het cruciaal dat die leverancier betrouwbaar is. „Of het vermogen nou uit een kerncentrale, kolencentrale, wind- of zonnepark komt, dat maakt ons niet uit. Elk elektron is ons even lief. Als er maar geleverd wordt”, zegt Hommes.

De netfrequentie wordt exact op 50 Hz gehouden: honderd stroomrichtingwisselingen per seconde. Dat is het ritme waarin de elektronen heen en weer dansen in de stroomdraden. Het is de hartslag van het Europese elektriciteitsnet. Die is doorgaans zo constant dat wekkers en ovenklokken die puls gebruiken om de tijd aan te geven; na 50 stroomwisselingen springen ze een seconde verder.

Niet alleen wekkers gebruiken de 50 Hz. Elektromotoren draaien sneller bij hogere frequentie en langzamer bij lagere frequentie, wat soms ongewenst is. En sommige elektronica stopt zelfs volledig als de frequentie niet constant is.

Wie maakt die 50 Hz?

Elektriciteit wordt – al sinds het eind van de negentiende eeuw – opgewekt met generatoren, waarin een ronddraaiende turbine (een soort grote dynamo) stroom opwekt. De meeste elektriciteit in Nederland wordt opgewekt door het verbranden van fossiele brandstoffen zoals kolen en gas. Daarbij komt warmte vrij die water verhit tot stoom. Die stoom laat het schoepenrad van de turbine draaien. Maar ook wind of vallend water kunnen turbines aandrijven.

Aan de roterende as van de turbine zit een magneet. Die ronddraaiende magneet zorgt voor een veranderend magneetveld dat in de elektrische spoelen die eromheen geplaatst zijn een elektrisch veld opwekt. Dit principe heet magnetische inductie.

Deze omzetting van warmte en beweging in elektriciteit is ruim honderd jaar oud en steeds geoptimaliseerd door toepassing van nieuwe materialen en technieken. Een belangrijke optimalisatie is bijvoorbeeld de gasturbine in gasgestookte centrales. Hierin wordt gas onder hoge druk verbrand. Het uitzettende uitlaatgas duwt tegen de turbineschoepen waardoor die gaan draaien. Tegelijkertijd wordt met de verbrandingswarmte water verhit tot stoom voor de stoomturbine. Beide turbines wekken stroom op.

Een generator levert altijd wisselstroom, doordat de ronddraaiende magneet een wisselend elektrisch veld opwekt. De wisselfrequentie hangt af van de rotatiesnelheid van de generator-as. „In Europese energiecentrales draait die machine met 3.000 toeren per minuut”, zegt Wim Slagter, dagdienstcoördinator voor de productie bij Nuon. Per seconde zijn dat 50 omwentelingen. Voilà, daar is de hartslag van het Europese net.

Die 50 Hz was vooral een praktische keuze. Bij hogere draaisnelheden slijten generatoronderdelen sneller. En bij lagere snelheden gaan lampen zichtbaar knipperen. Nu flikkeren ze vijftig keer per seconde. Dat kun je niet waarnemen. Daardoor líjkt het licht constant.

Iedere frequentie in de buurt van de 50 Hz is ook mogelijk, als die maar constant is, zodat fabrikanten hun machines en elektronica erop af kunnen stemmen. In de Verenigde Staten en Zuid-Korea komt de stroom met 60 Hz uit het stopcontact. Daar werkt elektronica ook prima op. Maar als je je Europese wekker op die stroom laat lopen, loopt hij na een uur al ruim tien minuten voor.

„Uiteindelijk is die 50 Hz in Europa afspraak”, zegt Slagter. „En aan die afspraak moet je voldoen als je met een energiecentrale of zonnepaneel energie wil leveren aan het elektriciteitsnet. Als wij onze energiecentrale opstarten brengen we die eerst naar 50 Hz, pas als we dat bereikt hebben, koppelen we de centrale aan het net om vermogen te gaan leveren.”

Oorlog der stromen

Tegenwoordig wordt over de hele wereld wisselstroom gebruikt die met 50 of 60 Hz heen en weer zoeft. Maar ruim honderd jaar geleden was dat niet vanzelfsprekend. Uitvinder Thomas Edison pleitte voor gelijkstroom terwijl uitvinder en natuurkundige Nikola Tesla en de Amerikaanse ondernemer George Westinghouse wisselstroom wilden.

Beide partijen troefden elkaar in het begin af met steeds grotere en steeds meer gloeilampen. Er waren kleine onenigheden. Wat gezonde concurrentie leek, werd steeds grimmiger en ontaardde in de ‘oorlog der stromen’.

Edison schijnt zelfs zo ver te gegaan te zijn dat hij publiekelijk honden, katten, paarden en zelfs een circusolifant doodde met Tesla’s wisselspanning om aan te tonen hoe gevaarlijk die was. Hij wees er op dat de elektrische stoel, de toen nieuwe executiemethode, op wisselstroom werkt. Alles om wisselstroom in kwaad daglicht te zetten.

Het was vals spel. Bij hetzelfde voltage is wisselstroom niet per definitie gevaarlijker dan gelijkstroom.

Ondanks Edisons verzet wonnen de wisselstroomaanhangers. Wisselstroomgeneratoren zijn goedkoper en robuuster dan generatoren voor gelijkstroom. Een generator produceert altijd wisselspanning, door de draaiende turbine. Omzetten in gelijkstroom kost extra energie. Verder is wisselstroom makkelijker te schakelen in transformatoren. „Het wisselstroomnet, zoals wij dat hebben kun je zien als een snelwegennet met overal op- en afritten in de vorm van aan- en afsluitingen”, zegt Tennet-netmanager Hommes. „Dat aan- en afsluiten gaat met wisselstroom veel beter dan met gelijkstroom.”

Hoogspanningskabels vervoeren elektriciteit bij hoge voltages van meer dan honderd kilovolt. In transformatorhuisjes, de afritten van het elektriciteitsnet, brengen transformatoren het voltage drastisch omlaag naar de 230 volt die uit het stopcontact komt. Transformatoren werken met wisselstroom omdat ze, net als generatoren, gebruikt maken van inductie, waarbij een veranderend magneetveld een elektrische stroom opwekt. Een transformator bestaat uit twee spoelen met geleidende stroomdraden die om een gemeenschappelijke ijzeren kern zitten. De spoel waar de hoogspanning op binnenkomt heeft een groot aantal windingen (of wikkelingen). De wisselende elektrische stroom wekt in de ijzeren kern een wisselend magneetveld op. Dat wisselende magneetveld zorgt op zijn beurt weer voor een wisselende elektrische stroom in de tweede spoel. Door de tweede spoel zo te kiezen dat hij minder windingen heeft dan de eerste is het voltage in deze spoel lager. Het aantal windingen is namelijk evenredig met het voltage. Het voltage van gelijkstroom verhogen is een stuk complexer.

Eind negentiende eeuw werd de oorlog van de stromen gewonnen door wisselstroom. Dat stroomt sindsdien door elektriciteitsnetten over de hele wereld.

Bewakers van de netfrequentie

De frequentie in het Europese net wordt strak in de gaten gehouden door de Zwitserse netbeheerder Swissgrid. Op nationaal niveau is netbeheerder TenneT verantwoordelijk. Op het hoofdkantoor van TenneT staat een display die de actuele netfrequentie tot op vijf of zes cijfers achter de komma laat zien. „Bij Tennet hebben de mensen in de control room eigenlijk maar één taak: naar die 50 Hz kijken om te zien of die constant is”, zegt Hommes. Bij de kleinste afwijking wordt er automatisch of handgestuurd bij geregeld.

TenneT houdt de frequentie in stand door heel nauwkeurig vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Als de vraag enkele megawatt (MW) of meer groter is dan het aanbod daalt de frequentie. En bij een vergelijkbaar overschot in het aanbod wordt de frequentie hoger. Het totale vermogen ligt in Nederland tussen de 15.000 en 20.000 MW. Het bijsturen gaat in honderdsten van procenten: precisiewerk.

De oorzaak van de frequentieverandering is complex en laat zich het best uitleggen met een metafoor. Een springveer waar hard aan wordt getrokken (veel vraag) rekt uit, waardoor de frequentie (voor te stellen als het aantal windingen per meter) afneemt. Als het aanbod groter is dan de vraag, wordt de veer ingeduwd en neemt de frequentie toe.

In de praktijk moet de vraag van bedrijven en gewone consumenten altijd in balans zijn met het aanbod van energiecentrales en zonne- en windparken om de netfrequentie op 50 Hz te houden.

Het afstemmen luistert nauw omdat elektrische stroom niet of nauwelijks opgeslagen kan worden. Dat kan heel beperkt in condensatoren en spoelen. Langer bewaren lukt alleen als de elektrische energie wordt omgezet in een andere vorm van energie, zoals in chemische energie in batterijen. Of in potentiële energie, door water omhoog te pompen in waterkrachtcentrales. Dat is relatief duur en er treedt altijd verlies op.

Als plots iedereen zijn airco aanzet of wanneer het zo hard stormt dat een windmolenpark stilgezet wordt, dan moet TenneT ervoor zorgen dat toch bij iedereen het licht blijft branden en de stroom nog steeds met 50 Hz uit het stopcontact komt. „Dat doen we door twee soorten vermogen in te kopen bij energieproducenten”, vertelt Hommes. De eerste is automatische frequentie regeling (AFRR). AFRR houdt generatoren in de gaten en stuurt ze binnen milliseconden automatisch bij. Als de frequentie een beetje zakt laat AFRR de centrale iets meer vermogen leveren – als de frequentie stijgt iets minder.

Soms volstaan deze snelle, kleine regelsystemen niet. „Dat is bijvoorbeeld het geval als er een centrale uitvalt”, zegt Hommes. Dan begint de wat tragere manuele frequentie regeling (MFRR). Hommes „Dat is gewoon bellen en kijken wie er extra vermogen kan leveren of wie er reservevermogen beschikbaar heeft, bijvoorbeeld opgeslagen in batterijen of in de vorm van opgepompt water in waterkrachtcentrales.”

Gascentrales kunnen relatief makkelijk en snel reageren als de vraag vanuit het net verandert. Hun productie is goed te voorspellen en kan makkelijk verhoogd of verlaagd worden. Dat maakt ze geschikt als zogenoemd regelvermogen. Dit in tegenstelling tot wind- en zonne-energie. „Bij een gascentrale heb je bij wijze van spreken gewoon een gaspedaal dat je wel of niet in kan trappen”, zegt Hans Verwilligen, installatiemanager bij de Magnum centrale van Nuon aan de Eemshaven in Groningen. „Wind- en zonneparken kunnen er minder makkelijk een tandje bijzetten als de vraag hoog is, omdat ze afhankelijk zijn van het weer. Er zullen dus goed op- en af te schakelen centrales nodig blijven.” Vattenfall, het moederbedrijf van Nuon, werkt daarom nu aan energiecentrales die kunnen draaien op waterstof. Als waterstof duurzaam geproduceerd kan worden uit water, is het een fossielvrije brandstof waarbij geen CO2 vrijkomt. Nu wordt waterstof nog niet op grote schaal, duurzaam geproduceerd. Maar als dat in de toekomst wel kan, dan is waterstof een essentieel onderdeel voor een volledig duurzame energievoorziening.




Correctie (23 september 2018): Eerder stond geschreven dat bij een netfrequentie van 50 Hz er vijftig stroomrichtingwisselingen per seconde plaatsvinden. Dat moeten honderd stroomrichtingwisselingen per seconde zijn. Dit is aangepast.

    • Dorine Schenk