Hoe werkt het elektriciteitsnet en welke uitdagingen moet men overwinnen?

In dit artikel staan we stil hoe het elektriciteitsnet "werkt". In eerste instantie zal je denken, hoe moeilijk kan nou een elektriciteitsnet zijn? Aan de ene kant is er een leverancier van elektriciteit, die levert die elektriciteit via kabels naar de afnemer, en die verbruikt de elektriciteit. Klaar!
Maar zoals zo vaak, blijkt alles véél complexer te zijn. Het sleutelwoord bij het elektriciteitsnet is "balans", producent en afnemer moeten elkaar in "evenwicht" houden.
Dit artikel is geschreven als onderdeel van een serie artikelen over noodstroomvoorzieningen. Daarbij doen zich exact dezelfde problemen voor als bij het openbaar elektriciteitsnetwerk. De lezers van de noodstroomartikelen verwijzen we door naar dit artikel, want als ze de uitdagingen doorgronden in het "grote elektriciteitsnetwerk" begrijpen ze ook de uitdagingen in hun "kleine" noodstroomvoorziening elektriciteitsnet.
Fietsdynamo en fietslampje

Wil je het probleem van het elektriciteitsnet doorgronden dan gaat dat veel gemakkelijker als we even stilstaan bij je fiets.
Die fiets heeft een dynamo, die wekt elektriciteit op en daarmee kunnen de lampjes in je voor- en achterlicht branden.
Die dynamo is een heel simpel apparaatje. Het is een magneet die verbonden is aan een asje en dat asje is verbonden aan je wiel. Zodra het wiel gaat draaien, draait het asje van de dynamo, dus ook de magneet.
In de dynamo zit rond de dynamo een spoel die gewikkeld is van geïsoleerd koperdraad. Zodra een magneet de spoel "passeert" (tijdens het ronddraaien) ontstaat in de spoel een elektrische spanning. Die neemt toe als de magneet zich naar de spoel beweegt en die spanning neemt weer af als de magneet zich weer van de spoel af beweegt.
De spanning die uit de spoel kwam was eerst nul Volt, en met het naderen van de magneet nam de spanning toe, laten we zeggen, tot 5 Volt. Als de magneet zich weer van de spoel afbeweegt daalt die spanning weer en keert terug op "geen spanning", dus nul Volt.

Maar een magneet heeft altijd twee polen. Een noord- en zuidpool. Zojuist was de magneet met de noordpool de spoel voorlangs gegaan, maar de as van de dynamo blijft draaien, dus daar komt de zuidpool al aangestevend op de spoel.
Maar nu gebeurd er iets onverwachts, de spanning blijkt negatief te worden (net als je de plus en min van een batterij omgedraaid). En die spanning wordt steeds negatiever. Tot de zuidpool voor de spoel staat en dan is de spanning maximaal negatief. Was hij eerst 5 Volt positief, nu is hij 5 Volt negatief.
Zodra de zuidpool zich weer verwijderd van de spoel neemt de spanning ook af en keert uiteindelijk weer terug tot nul.
Wat we zojuist hebben waargenomen is het ontstaan van een "wisselspanning". Een spanning die continue niet alleen van waarde wisselt maar ook in een regelmatig tempo omwisselt van polariteit. De "plus" en "min" aansluitingen van de spoel wisselt dus continue.
Als je met de fiets aan de hand loopt, dus als je wiel heel langzaam draait, zal je het voorlicht ook zien "flikkeren" en wel op een tempo dat gelijk is aan het aantal keren dat de noord- óf zuidpool zich langs de spoel begeeft in je dynamo. Dit kan je niet zo goed waarnemen bij fietslichten met een ouderwets "gloeilampje" (die gloeit ná en daarom niet goed zichtbaar) maar het is wel héél goed waarneembaar bij de moderne "ledlampjes" die in alle moderne fietsen gebruikt worden.
Wat je waarschijnlijk ook opviel is dat de felheid van het licht toeneemt met de snelheid dat het wiel ronddraait. Draait het wiel langzaam, dus draait de as van de dynamo langzaam, dan wordt door de spoel in de dynamo maar weinig spanning geproduceerd. Naarmate het magneetje sneller rond gaat draaien, hoe hoger de spanning is die de spoel afgeeft, dus ook hoe feller je lamp gaat schijnen.
Resumé, de ronddraaiende magneet in de dynamo produceert een wisselende spanning, de hoogte van die spanning is gerelateerd aan de snelheid dat de magneet ronddraait. Hoe sneller de rotatie, hoe hoger de spanning, maar ook hoe sneller de (zich herhalende) wisselende spanning. Hoe snel die spanning wisselt wordt uitgedrukt in de eenheid Hertz, afgekort Hz. Draait de magneet in de dynamo bijvoorbeeld dertig keer per seconde rond, dan produceert hij een wisselspanning met een frequentie van 30 Hz[1].
In het elektriciteitsnet zijn twee aspecten heel belangrijk, één daarvan hebben we zojuist behandeld, dat is namelijk dat bij de productie van elektriciteit de hoogte van de wisselspanning en netfrequentie verhoogd of verlaagd kan worden door de snelheid van de ronddraaiende magneet in de dynamo's van de elektriciteitscentrales respectievelijk te verhogen of te verlagen. Het tweede aspect is het bewaren van het "evenwicht", de balans tussen aanbod en vraag. En dat wordt hieronder behandeld.
In het elektriciteitsnet wordt net als bij je fiets de elektriciteit geproduceerd door een dynamo. Alleen dan in het groot en wordt deze veelal aangedreven door stoomturbine[2]. Simpel uitgelegd: dat is een propeller die ronddraait doordat met kracht er stoom tegenaan wordt geblazen. Die stoom wordt gemaakt door water te laten koken met de warmte uit gas, kolen of kernenergie.
De as van de dynamo in de elektriciteitsfabriek draait met een bepaalde afgesproken snelheid rond. In Europa hebben we afgesproken dat dit 50 keer per seconde is. Daardoor zal de wisselspanning een frequentie hebben van 50 Hz (Hertz).
Om te doorgronden wat voor uitdagingen die de netbeheerder heeft om het elektriciteitsnetwerk te laten "werken" gaan we ons verdiepen in een denkbeeldig klein elektriciteitsnet. Er is maar één elektriciteitscentrale en een handjevol afnemers van elektriciteit en één daarvan ben jij.
Stel nou dat de dynamo in de elektriciteitsfabriek op een gegeven moment 20.000 Watt vermogen produceert, omdat de afnemers van elektriciteit dat vermogen op dat moment nodig hebben.
In Europa hebben we afgesproken dat bij een afnemer van elektriciteit altijd een wisselspanning 230 Volt van 50 Hz wordt aangeboden.
Die spanning en frequentie komt dus ook bij jou dus ook uit jouw stopcontact. Maar stel nou dat jij een waterkoker aanzet. Die heeft een opgenomen vermogen van circa 2000 Watt. Dat vermogen moet geleverd worden door de dynamo in de elektriciteitscentrale. Die leverde 20.000 Watt, dus nu wordt hij 10% zwaarder belast.
De vraag is, wat gebeurd er als jij die waterkoker aanzet? Omdat de dynamo 20.000 Watt levert maar 22.000 Watt moet leveren (meer vermogen), zal de dynamo zwaarder belast worden. Omdat de stoomturbine die de as van de dynamo laat ronddraaien maar 20.000 Watt levert zal het gevolg zijn dat de stoomturbine langzamer gaat draaien.
Dan gebeuren er twee dingen: omdat de stoomturbine langzamer gaat draaien, dus ook de as van de dynamo, zal de frequentie van de wisselspanning geen 50 Hz meer zijn maar zal dalen. Daarnaast, omdat de as van de dynamo minder snel ronddraait zal ook de spanning die dynamo afgeeft dalen.
De spanning die de dynamo afgeeft daalt met 10% (23 Volt) naar 207 Volt. Omdat de netspanning daalt van 230 naar 207 Volt, zal de stroom die door de waterkoker loopt ook lager worden[3], en daardoor zal ook de warmte die het elektrisch element in de waterkoker afgeeft ook lager worden[4]. De waterkoker zal best nog wel werken, alleen zal het een stukje langer duren voordat het water aan de kook is.
Dat is allemaal eigenlijk logisch. De stoomturbine leverde een bepaalde hoeveelheid vermogen en dat vermogen werd gedeeld door de andere elektriciteitsgebruikers. Doordat jij nu de waterkoker aanzet moest dat vermogen verdeeld worden over meerdere apparaten, logisch dat er voor iedereen minder vermogen overblijft.
Toleranties
In het voorbeeld hiervoor daalde de spanning toen jij de waterkoker aanzette. Die spanning daalde drastisch, met 10% in ons voorbeeld. De waterkoker zal hier geen echt last van hebben, behalve dat hij wat minder warmte afgeeft en het langer duurt voordat het water kookt. Maar als de spanning nog verder zou dalen dan zouden vele andere apparaten zullen mogelijk uitvallen. Want die verwachten dat de netspanning altijd 230 Volt is. Nou ja, altijd, we hebben in Europees verband afgesproken dat de netspanning van 230 Volt niet verder dan 10% mag dalen of stijgen.
Dus apparaten verwachten een spanning van 230-23=207 Volt (10% lager) en 230+23=253 Volt (10% hoger). Tussen die twee uitersten moeten de apparaten blijven werken, dat is een minimale eis die aan elektrische apparaten wordt gesteld. Wordt de spanning té laag, dan valt een apparaat mogelijk uit. Wordt de spanning hoger dan die 253 Volt, dan heb je kans dat de elektronica in het apparaat "doorbrand" en defect raakt.
Het is de taak van de netbeheerder om te zorgen dat de netspanning overal stabiel is. Dus binnen de marges van plus of minus 10% blijft. In ons voorbeeld daalde de spanning met 10% dus dat was net op het randje. Toen de elektriciteitsfabriek dit merkte werd de hoeveelheid stoom die toegevoerd wordt aan de stoomturbine met 10% verhoogd waardoor het opgewekte vermogen ook toenam met 10% en 22000 Watt werd. Doordat de dynamo sneller gaat draaien leverde de dynamo weer 230 Volt en 50 Hz elektriciteit.
Je ziet, als de afname (het verbruik) hoger is dan de productie, dat de spanning daalt (en ook de frequentie).
Inmiddels is het water in de waterkoker aan het koken en klik, daar slaat de waterkoker af. Daarmee valt de belasting van onze 2000 Watt weg. Maar wat gebeurd er nu op ons (versimpelde) elektriciteitsnet? De elektriciteitscentrale produceert een vermogen van 22.000 Watt, maar de afname is gedaald naar 20.000 Watt. De dynamo wordt dus minder zwaar belast en daarmee ook de stoomturbine.
Het gevolg is dat de dynamo sneller gaat draaien, daardoor stijgt de wisselspanningsfrequentie, maar ook de spanning. Die zal stijgen naar 55 Hz en 253 Volt.
Die spanning is "net op het randje" en de elektriciteitscentrale zal daarom het vermogen van de stoomturbine terugschroeven, en wel zodanig dat de netspanning weer 230 Volt en 50 Hz is. Dat blijkt te zijn bij een productie van 20.000 Watt.
Evenwicht
In het voorbeeld dat we hiervoor gebruikten heeft het aanzetten van een waterkoker enorme gevolgen voor de netspanning en netfrequentie. Dat komt het vermogen van de waterkoker die ingeschakeld wordt in relatie met het vermogen van de elektriciteitscentrale heel groot is. Die waterkoker heeft een vermogen dat 10% is van het vermogen dat de centrale produceert en dáárom heeft het zo'n enorm effect.
In de praktijk is het vermogen dat een elektriciteitscentrale produceert geen 20.000 Watt maar bijvoorbeeld 200.000.000 Watt (200 MW) tot wel 1.304.000.000 Watt (1304 MW) zoals de Eemshavencentrale in Groningen of in België de Doel 4 kerncentrale die 1.038.000.000 Watt (1038 MW) kan produceren en samen met de Doel 1, 2 en 3 kernreactoren zelfs 2.934.000.000 Watt (2934 MW). Daarnaast is in het elektriciteitsnet per land niet één centrale opgesteld maar tientallen.
Op het moment van schrijven was de elektriciteitsproductie in Nederland circa 15.000.000.000 Watt (15 GW of 15.000 MW). Als jij je waterkoker aanzet is dat een extra belasting van 2000 / 15.000.000.000 x 100% = 0,000013% dus zal de netspanning dalen met 0,000013%, dat is dus een daling van 230 Volt x 0,000013 = 0,003 Volt. Dus drieduizendste Volt. Daar zal niemand van wakker liggen.
Maar wat nou als niet alleen jij om zeven uur in de ochtend de waterkoker aanzet, maar tegelijkertijd nog eens 999 andere mensen? Dan zal de spanning met 1000 keer die 0,003 Volt dalen. En dat is 3 Volt. Kijk, dat heeft wél invloed.
En dat is wat iedere dag gebeurd, als mensen opstaan zal meer vermogen opgenomen worden en als ze naar hun werk vertrekken dan daalt dat weer. En dit zelfde ritueel herhaalt zich in de avond als we thuiskomen. Dan is de vraag naar elektrisch vermogen nog groter want dan gaat de inductiekookplaat aan, mogelijk de oven en wordt ook de elektrische auto geladen. En tegen middernacht als de meeste hun oor op hun kussen leggen, dan daalt de vraag naar vermogen drastisch.
Op het moment dat dat de vraag naar elektriciteit verandert zal constant ook de opwekking van elektriciteit aangepast moeten worden.
Bij het elektriciteitsnet geldt één basisregel: de productie en de afname van elektriciteit moet constant precies in evenwicht zijn.
Bij de productie van drinkwater kan je overtollig water nog opslaan in watertorens en andere reservoirs, maar in het elektriciteitsnet kan je géén elektriciteit opslaan. Wat geproduceerd wordt, dat moet op het zelfde moment ook afgenomen worden. Zo niet, dan dat invloed hebben op de netspanning en netfrequentie.
Tennet en Elia
Het is de taak van Tennet in Nederland en Elia in België om continue deze fragiele balans te behouden. We zouden tientallen pagina's kunnen volschrijven wat Tennet / Elia (en haar partners) moeten doen om die balans te behouden.
Heel in het kort (en we slaan veel details over): de netbeheerders hebben contracten met zowel energieproducerende als energieafnemende partijen om op momenten dat het netwerk uit balans dreigt te raken om extra energie te leveren, of juist minder energie te leveren, maar ook aan de afnamekant kan men vragen om (tijdelijk) minder energie af te nemen of juist (dat lijkt inderdaad vreemd maar het is echt waar) flink meer energie te gebruiken.
Om dat laatste meer inzichtelijk te maken, maar realiseer dat dit maar één oplossing is, als er een overschot is aan energie, dan kan aan waterkrachtcentrales gevraagd worden om niet elektriciteit te produceren, maar juist elektriciteit te gebruiken. Men laat het water dan niet van boven naar beneden vallen, maar men draait het om. Met pompen wordt water van beneden weer terug gepompt achter de dam. Dat pompen kost natuurlijk veel energie en dat was ook precies de bedoeling. Op een later tijdstip kan die potentiële energie (het water achter dam) weer gebruikt worden door het naar beneden te laten vallen om elektriciteit te maken.
In Nederland hebben we natuurlijk geen waterkrachtcentrales, maar wel bijvoorbeeld in België (pompcentrale Coo Trois-Points) en Duitsland (pompcentrale Herdecke).


Niet alleen moet de netbeheerder een balans te behouden in het Nederlandse of Belgische deel van het elektriciteitsnet, maar omdat vrijwel heel Europa, elektrisch gezien, letterlijk aan elkaar verbonden is, geldt dit ook voor het hele Europese elektriciteitsnet. Stel dat een bepaald land elektriciteit te kort komt (door onverwachte omstandigheden of gepland groot onderhoud aan centrales), dan leveren omringende landen de benodigde energie via hoogspanningskabels die zich tussen de landen bevinden, de zogenaamde interconnectors. Uiteraard moeten in die landen dan wel meer elektriciteit geproduceerd worden (en krijgen daar ook voor betaalt).
Het is ook in hun eigen belang, want als omringende landen een buurland niet zouden helpen een tekort of overschot "weg te werken" dan hebben die landen daar dan ook last van, want als de spanning in bijvoorbeeld Duitsland daalt door een tekort, dan daalt dat ook in Nederland en België. We zijn dus tot elkaar veroordeeld. Maar omdat het netwerk zo enorm groot is, haast heel Europa, is de balans veel gemakkelijker te behouden dan bij een klein elektriciteitsnetwerk.
Bedenk dat je een elektriciteitscentrale niet even "aan" of "uit" kan zetten of heel snel aanpassingen kan maken in het vermogen dat ze produceren. Bij een steenkoolgestookte centrale kost het aan- of uitzetten wel een dag en kleine aanpassingen in vermogensproductie gaan erg traag.
Centrales die met gas stoom kunnen maken en daarmee elektriciteit kunnen maken, de zogenaamde STEG centrales, kunnen al veel sneller reageren.
Tegenwoordig wordt veel groene energie geproduceerd en dat heeft voor- en nadelen. De voordelen in dit kader zijn dat grote zonnepaneelinstallaties in een fractie van een seconde af te schakelen zijn of dat men het vermogen kan reduceren. Van windmolens kan ook gevraagd worden om ze (gedeeltelijk) uit te zetten. Dat zie je dan ook regelmatig. Het waait lekker en je ziet veel windmolens niet draaien en je denkt, waarom? Nou dat komt omdat er te veel energie wordt geproduceerd en men de producenten vraagt minder te produceren. Uiteraard loopt men dan inkomsten mis, maar ook dat is geregeld. Voor het niet produceren van elektriciteit krijgt men (uiteraard) ook een vergoeding.
Stationsklokken en wekkerradio's
Het volgende is totaal niet van belang voor het doorgronden van het elektriciteitsnet, maar het wel een leuk "weetje".
Het elektriciteitsnet heeft een netfrequentie van 50 Hz. De 230 Volt spanning wisselt dus 50 keer per seconde van polariteit. Al heel lang geleden is men voor openbare klokken gebruik gaan maken van klokken met een zogenaamde "synchroonmotor".
Zo'n motor draait synchroon (gelijk) aan de netfrequentie. Als je de draaiing van de as van de motor aan tandwielen overdraagt en die zorgen voor een vertraging van een factor 50 dan draait het laatste tandwiel één keer per seconde rond. Dat kan je goed gebruiken om daarmee een klok te kunnen laten draaien. En dat gebeurd dus op grote schaal.
Dat betekent dat als de netfrequentie van 50 Hz daalt, dat al die klokken iets langzamer gaan lopen. Maar we kunnen ons niet permitteren dat alle stationsklokken achter- of voorlopen. Vandaar dat men in Europa al lang geleden heeft afgesproken dat, over een dag gezien, de netfrequentie altijd gemiddeld 50 Hz is. En mochten ze een keer dat net niet hebben gered, dan wordt de dag daarna dat gecorrigeerd.
Dus stationsklokken en openbare klokken lopen dus altijd "op tijd" en men hoeft die niet om de zoveel tijd "bij te stellen". Niet alleen openbare klokken werken zo, ook wekkerradio's maar ook klokken op bijvoorbeeld ovens zijn aan de netfrequentie "gekoppeld".
In je wekkerradio draait geen synchroonmotor, maar die wekker houdt zijn klok wel gesynchroniseerd met de netfrequentie. Toen in 2018 een conflict ontstond tussen Kosovo en Servië en zij elkaar de zwarte piet toe wilde schuiven omdat ze niet voldoende energie aan het net zouden leveren.
Om een lang verhaal kort te maken, de wil was een tijdje niet aanwezig dat die landen het probleem wilde oplossen. Daardoor werd in die landen veel te weinig elektriciteit geproduceerd. En omringende landen konden niet voldoende elektriciteit leveren (mede omdat de interconnectors een beperkte capaciteit hebben). Dús zakte de netfrequentie. En dat had tot gevolg dat in heel Europa alle net-synchroonklokken na een paar weken wel vijf minuten achter liepen.
Uiteindelijk is dat conflict opgelost en heeft men er grofweg twee manden over gedaan om "de tijd in te halen". Immers, al die klokken moesten natuurlijk weer "op tijd lopen" en dat kan alleen maar door een tijdlang de netfrequentie te verhogen. Maar die netfrequentie kan niet ongelimiteerd verhoogd worden. Dus het kostte circa twee maanden om "het been bij te trekken". In de tussentijd kwamen mensen te laat op hun werk en reden treinen, trams en bussen niet op tijd. Nou ja, volgens die klokken wel, alleen kwam de tijd van die klokken niet overeen met de werkelijkheid.
Ter informatie: de netfrequentie is indirect gekoppeld aan een atoomklok. De atoomklok levert voor de netbeheerders de enige en juiste tijd, en men meet constant hoeveel de netfrequentie achter- of voor loopt op de atoomklok.
Dus alle netgekoppelde klokken zullen af en toe voor- en af en toe achter lopen, met doorgaans een maximale afwijking van circa twee minuten, maar die afwijking wordt altijd weer hersteld.
Als je geboren zou worden en je zou een wekkerradio inschakelen (of een oven met een klokje daarin) dan zou dat klokje bij je dood nog steeds gelijk lopen zonder dat je er maar één keer gelijk hoefde te zetten (behalve dan met zomer- en wintertijd).
- In dit artikel hebben we getracht om het niet onnodig technisch te maken en hebben we hier een daar de zaken iets simpeler voorgesteld. Wat betreft de frequentie van de wisselende spanning kunnen we in deze noot wel nauwkeurig zijn. Een wisselende spanning die dertig keer per seconde een positieve spanning en dertig keer een negatieve spanning heeft een frequentie van 30 Hz. Maar de spanning wisselt zestig keer per seconde van polariteit.
- Naast de gasgestookte (dan wel met kolen of kernenergie) stoomturbine elektriciteitscentrale, zijn er ook andere elektriciteitproducerende eenheden. Denk aan waterkracht (ook met turbines en een dynamo), windmolens die een dynamo aandrijven, maar ook zonnepanelen. Bij zonnepanelen is natuurlijk geen sprake van een ronddraaiende magneet, maar wordt door elektronica een wisselende spanning opgewekt en die loopt synchroon met de netfrequentie en netspanning.
- De stroom die door een apparaat stroomt kan je uitrekenen door spanning die op het apparaat staat te delen door de weerstand van het apparaat. Bij een waterkoker van 2000 Watt is de weerstand (weerstand=spanning2 x vermogen) dus weerstand = (230 x 230) / 2000, weerstand = 52900 / 2000 en daar volgt uit dat de weerstand 26,45 Ohm is.
- Je zou verwachten dat bij een 10% lagere netspanning het vermogen van de waterkoker ook 10% lager wordt, maar dat is dus niet zo. Dat komt omdat er bij vermogen en kwadratisch verband bestaat tussen de stroom en de weerstand van het apparaat. Het vermogen (de warmte) die de waterkoker produceert bij 207 volt is eenvoudig te berekenen nu we de weerstand weten (zie vorige noot[3]), want die blijkt 26,45 Ohm te zijn. Eerst moeten we uitrekenen hoeveel stroom door de waterkoker stroomt bij 207 Volt. De formule daarvoor is stroom = spanning / weerstand. Dus de stroom = 207 / 26,45 dus is de stroom 7,83 Ampère. Nu kunnen we het vermogen uitrekenen met de formule: vermogen = stroom2 x weerstand, dus vermogen = 7,83 x 7,83 x 26,45 en daar volgt uit dat het vermogen 1621 Watt is (en niet de 1800 Watt die je wellicht verwachtte). Je ziet dus dat het vermogen dat gevraagd werd, in eerste instantie, geen 2000 Watt was, dus de elektriciteitscentrale geen 22000 Watt moest produceren, maar het was eerst 1621 Watt, dus moest de centrale 23621 Watt produceren. Terwijl de centrale dit vermogen probeert te maken (bij 230 Volt en 50 Hz) zal in die transitie, de spanning oplopen dús zal ook het vermogen dat de waterkoker opneemt toenemen van 1621 naar 2000 Watt. Dus uiteindelijk zal pas als de centrale 22000 Watt produceert de spanning 230 Volt en 50 Hz zijn.
publicatie: 20240825
aanpassing/controle: 20250111
Foutje of aanvulling? Stuur ons een reactie