Computersystemen/Elektriciteit

Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. Ze komen uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting informaticabeheer. De cijfers verwijzen naar dit leerplan. De cursieve doelstellingen zijn praktijkoefeningen die aansluiten bij de theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden.

• 1.1.1 De begrippen elektrische lading, stroom, weerstand, vermogen, spanning en elektrische arbeid toelichten.
• 1.1.2 De symbolen en eenheden van spanning, stroom, weerstand, vermogen en elektrische arbeid correct gebruiken.
• 1.1.3 De invloed van het toevoegen van vermogen op de totale stroom en op het ontwikkelen van warmte toelichten.
• 1.1.4 De soorten spanningen en stromen omschrijven, onder meer gelijkspanning en –stroom, wisselspanning en –stroom.
• 1.1.5 Het begrip aarding toelichten.
• 1.1.6 Enkele goede geleiders en isolatiematerialen opnoemen.
• 1.1.7 Het begrip ESD toelichten en enkele maatregelen opsommen om de gevolgen van ESD te minimaliseren.
• 1.5.5 Gelijk- en wisselspanning correct uitmeten.
• 2.2.13 Maatregelen om het verbruik van een computersysteem te beperken toelichten en uitvoeren.

Het gaat dus slechts over de basis van elektriciteit, wat behoorlijk eenvoudig is. Als je hierover meer wil weten bestaan er meer diepgaande cursussen, waaruit zal blijken dat het toch niet zó eenvoudig is en waarbij een stroomstoring niet altijd even snel opgelost is.

Elektrische begrippen

Tip	Grootheid	Afkorting grootheid	Eenheid	Afkorting eenheid
Elektrische druk	Spanning	U (van Unterschied of verschil)	volt	V
Geleiding	Weerstand	R (van resistance)	ohm	Ω
Elektronendebiet	Stroom	I (van intensiteit)	ampère	A
Energie/tijd	Vermogen	P (van power)	watt	W
Teller	Elektrische arbeid	W (van work)	wattuur	Wh

Uiteraard kan je ook afgeleide eenheden gebruiken, waarvan de meest gebruikte kilo = k, met als waarde 1000 = 10³ en milli = m, met als waarde 0,001 = 10^-3 zijn. Zo kan je bv. kWh of mA tegenkomen.

Het probleem met elektriciteit is dat je de elektriciteit zelf niet ziet, maar enkel de gevolgen ervan. Daardoor is het soms moeilijk om te weten wat al die grootheden precies betekenen. Vaak wordt de vergelijking met water gemaakt, omdat we water wél kunnen zien. Dit heet de hydraulische analogie. De PhET Interactive Simulations zijn ook heel interessant om zaken te visualiseren m.b.t. elektriciteit, schakelingen en magneten. Er wordt dan ook naar verwezen, waar gepast.

Lading

Afstoting en aantrekking

Elektrische lading, vaak kortweg lading genoemd, is een natuurkundige grootheid die aangeeft op welke manier een deeltje wordt beïnvloed door elektrische en magnetische velden. Voorwerpen kunnen positief of negatief geladen zijn. Ladingen van dezelfde polariteit stoten elkaar af, terwijl ladingen van tegengestelde polariteit elkaar juist aantrekken.

Om dit te begrijpen moet je weten dat materialen opgebouwd zijn uit atomen. Een atoom bestaat intern uit een uiterst kleine, positief geladen atoomkern, die is opgebouwd uit protonen, positief geladen deeltjes, en neutronen (niet geladen). Rond deze kern zit een wolk van elektronen, die negatief geladen zijn. Een atoom is onvoorstelbaar klein; er gaan meer atomen in één glas water, dan er glazen water in alle oceanen op aarde gaan.

In een neutraal atoom zijn er evenveel elektronen als protonen. Als je er nu in slaagt om bijv. de elektronen “af te scheiden” kan je twee materialen hebben met een tegengestelde polariteit, waardoor ze elkaar aantrekken. Zo kan je door het wrijven van een ballon tegen een wollen trui papiersnippers aantrekken. Of door het lopen op een tapijt jezelf elektrisch laden, wat een schok(je) kan geven als je je daarna ontlaadt. Je kan dit zelf uitvoeren via de PhET-simulaties 'Ballonnen en statische elektriciteit' en 'John Travolta(ge)'. De Vandegraaffgenerator of de elektriseermachine van Wimshurst zijn twee toestellen waarvan je de werking kan uitleggen met ladingen.

In een materiaal waar de elektronen zich makkelijk verspreiden (bv. koper, goud) zal een eventueel ladingsverschil snel verdwijnen omdat de ontstane ladingen zich zullen 'verdelen' over de rest van de stof en zullen samengaan met eventuele positieve ladingen. Dat verklaart dat bij de voorbeelden van daarnet vooral materialen zoals wol, PVC of glas gebruikt worden.

• 
  Heliumatoom (vereenvoudigd)
• 
  Gevolg van 'lading'
• 
  Vandegraaffgenerator
• elektriseermachine

Ter info: een toepassing van lading kan je terugvinden bij de laserprinter. Deze werkt met negatief geladen poeder (de toner), waarbij de stukken van het papier waarop geen toner moet komen ook negatief geladen is. Daar twee negatieve ladingen elkaar afstoten komt op het papier enkel toner waar de afbeelding komt. Door het tenslotte verhitten van het papier hecht de toner zich aan het papier.

Spanning

Elektrische spanning – ook bekend als het elektrische potentiaalverschil – is het verschil in potentiële elektrische energie tussen twee punten. De elektrische aarde is de belangrijkste potentiaalreferentie: de elektrische potentiaal van de aarde is per definitie nul volt.

• 
  AA batterij, 1,5 V
• 
  Laptopbatterij, 14,8 V
• 
  Stopcontact 230 V
• 
  ATX-connector PSU

Uit de definitie is verschil een belangrijk woord! Als je bij de ATX-connector de spanning meet tussen rood (+5 V) en geel (12 V), dan zal je 7 V meten (nl. 12-5)! Meet je tussen paars (-12 V) en oranje (3,3 V), dan zal je 15,3 V meten. Meet je tussen twee keer dezelfde kleur, dan zal je 0 V meten, want er is geen spanningsverschil. Meet je tussen oranje en zwart, dan meet je 3,3 V (3,3-0). Bij de PhET-simulatie 'Spanning batterij' merk je dat er geen potentiaalverschil is. Door via de schuifbalk een ander potentiaalverschil in te stellen, merk je dat er energie ('de mannetjes') nodig is om dat mogelijk te maken.

Weerstand

Elektrische weerstand is de elektrische eigenschap van materialen om de doorgang van elektrische stroom te belemmeren. Vloeit door een materiaal een elektrische stroom, dan gebeurt dit niet ongehinderd, er is energie voor nodig: de stroom ondervindt een zekere weerstand. Hoeveel energie er nodig is hangt af van materiaal tot materiaal (ter info: dit is bepaald door de soortelijke weerstand of resistiviteit $\rho$):

• Isolators zijn materialen met een erg hoge weerstand, waardoor de doorgang van elektrische stroom zodanig wordt belemmerd dat we amper kunnen spreken van stroom. Voorbeelden zijn glas, porselein, kunststof, olie of gedemineraliseerd (!) water.
• Geleiders zijn materialen die elektrische stroom doorlaten en een lage weerstand vertonen. Voor praktische doeleinden is deze weerstand verwaarloosbaar. Alle metalen zijn geleiders, bv. ijzer, zilver en koper.
• Supergeleiders geven een signaal onverzwakt door (bij een meestal heel lage temperatuur, wat veel energie kost).
• Halfgeleiders zijn belangrijk bij elektronische schakelingen, omdat ze een signaal kunnen verzwakken, doorlaten of versterken. In dit rijtje van 'weerstand' passen ze dus niet helemaal.

Met een hydraulische analogie kan je wijzen op de weerstand van waterleidingen waarbij een dunne tuinslang het stromend water een grotere weerstand zal laten ondervinden dan een regenafvoerpijp. Je kan ook wijzen op "verbruikers" zoals een waterrad dat er ook voor zal zorgen dat het stromend water een extra weerstand ondervindt, net zoals het toevoegen van een lamp in een stroomkring ook zorgt voor een hogere weerstand. Bij de PhET-simulatie 'Weerstand van een draad' kan je zien dat een hogere resistiviteit, langere lengte en kleinere doorsnede de weerstand laat toenemen.

Stroom

Elektrische stroom is het transport van elektrische lading. In een elektrisch netwerk vindt dit transport voornamelijk plaats door de beweging van elektronen door geleiders en halfgeleiders onder invloed van een potentiaalverschil.

Twee belangrijke aspecten die volgen uit de definitie:

• Niet ieder materiaal is geschikt om elektronen vlot te laten bewegen, dit lukt enkel bij geleiders of halfgeleiders.
• Bij zo'n materiaal kan het zijn dat bv. de elektronen kriskras door elkaar bewegen, maar bij stroom moet je ze in één richting krijgen. Die ene richting kan je verkrijgen door het aansluiten van een spanningsbron, zodat een potentiaalverschil ontstaat.

Spanning en stroom staan met elkaar in verband, maar zijn geen synoniemen. Met een hydraulische analogie kan je elektrische spanning vergelijken met waterdruk. Als er spanning is, is er niet automatisch stroom, net zoals het water in een regenton een druk kan uitoefenen, ook als het kraantje dicht is. Of neem een hevel: als het ene waterniveau op 50 cm staat en het andere op 20 cm is er waterdruk "voor 30 cm". Als je de hevel laat werken, zal het water stromen van hoog (potentiaal) naar laag (potentiaal). De stroomsterkte wordt dan het debiet van het water genoemd. Als in de hevel het waterniveau bij allebei op 35 cm staat is er geen spanning(sverschil) en geen stroom meer. Bij de PhET-simulatie 'Vloeistofdruk en stroming' (als onderdeel van fysica) kan je de watertoren hoger zetten en kan je kranen open of dicht zetten om het effect te zien op de waterdruk (rechtsboven kan je een meter toevoegen). Hoe groter de waterdruk ('spanning') hoe verder de waterstraal geraakt (de 'stroom').

Vermogen

Het vermogen is gedefinieerd als de opgewekte of verbruikte hoeveelheid energie per tijdseenheid. Zo heeft een elektrische vuurtje van 1000 watt een hoger vermogen dan een spaarlamp van 11 watt, op zijn beurt meer dan een LED-lamp van 3 watt. Ter info: 1 watt kan je ook uitdrukken 1 J/s = 3600 J/h (het voordeel is dat de 'per tijdseenheid' meer zichtbaar is, maar het nadeel is dat dit snel grote getallen oplevert).

Rond vermogen bestaat er behoorlijk wat verwarring:

• Het vermelde vermogen is vaak het piekvermogen, wat niet noodzakelijk hetzelfde is als het opgenomen vermogen op een bepaald moment. Enkele voorbeelden:
  • Bij een lamp is er vaak een redelijk constant opgenomen vermogen, gelijk aan het piekvermogen.
  • Bij een computer is het opgenomen vermogen afhankelijk van de belasting (bv. 'suspend-to-RAM' versus 'een game' spelen).
  • Bij een elektrisch vuurtje of koeling kan het opgenomen vermogen 0 Watt zijn, als de thermostaat aangeeft dat het warm/koud genoeg is.
• Bij LED-lampen staan er op de verpakking soms twee vermogens vermeld:
  • Het kleinste getal is vermogen dat de lamp opneemt.
  • Het grootste getal is eigenlijk niet bedoeld als vermogen. Het verwijst naar de lichtopbrengst die je van die lamp kan verwachten als je die zou vergelijken met een klassieke gloeilamp van dat vermogen. Als de fabrikant de juiste grootheid zou gebruiken (nl. lichtstroom, uitgedrukt in lumen), dan zou deze verwarring er niet zijn.
• Vele denken dat hoe hoger het vermelde vermogen, hoe krachtiger het apparaat. Dat is zeker niet noodzakelijk zo, want een stofzuiger met een hoog vermogen zal veel verbruiken, maar als deze een slecht ontworpen zuigmond heeft is hij niet noodzakelijk krachtiger dan een ander exemplaar.

Elektrische arbeid

Arbeid is in de natuurkunde een maat voor het werk dat gedaan wordt, of de inspanning die door een krachtbron geleverd wordt bij verplaatsing van een massa. Bij elektriciteit zijn het bv. elektronen die verplaatst worden en geeft men het over elektrische energie of het verbruik. Dit wordt uitgedrukt in kilowattuur (kWh).

Als een LED-lamp van 3 watt 2 uur is gebruikt, dan is het verbruik W = P * t = 3 W * 2h = 6 Wh = 0,006 kWh (opgelet: niet kW/h!). Bij apparaten waar het vermelde vermogen niet noodzakelijk gelijk is aan het opgenomen vermogen is zo'n berekening niet mogelijk en zal er moeten gemeten worden.

In de praktijk

Bij het bekijken van de specificaties van elektrische apparaten staan heel wat zaken. Je voelt al aan vanuit de definities dat de elektrische grootheden niet losstaan van elkaar, maar elkaar beïnvloeden (zoals oa. blijkt uit de wet van Ohm, ter info meegegeven).

• 
  PSU
• 
  LED
• 
  Transformer
• 
  Wet van Ohm

Wissel versus gelijk

Symbool voor gelijkspanning

Wisselspanning met 230 volt en frequentie 50 Hz als functie van tijd.

AC/DC, ook een bekende hardrockband

Gelijkspanning is een elektrisch potentiaalverschil tussen twee punten dat in de tijd stabiel blijft. Ook spreekt men wel van gelijkspanning als een potentiaalverschil tussen twee punten niet van teken wisselt, maar overigens wel in grootte kan veranderen. Dit in tegenstelling tot wisselspanning, waarbij het potentiaalverschil meestal met een vaste frequentie wisselt als functie van de tijd.

Als je gelijkspanning gebruikt in een schakeling zal een gelijkstroom ontstaan (in het Engels direct current of kortweg DC). Dit wordt aangegeven door de symbolen =, ​⎓​ of DC. Bij wisselspanning zal wisselstroom ontstaan (in het Engels alternating current of kortweg AC). Dit wordt aangegeven door de symbolen ≈, ~ of AC.

Beide systemen hebben hun voor- en nadelen wat bij het ontstaan van het elektriciteitsnet zorgde voor een "Oorlog van de stromen" tussen de verschillende uitvinders. Ondertussen weten we dat het lichtnet van een huishouden aangesloten is op wisselspanning (alhoewel er ook experimenten zijn om een huis deels op gelijkspanning te laten werken). Gelijkspanning wordt vaak gebruikt bij elektronica en over lange afstanden (HVDC).

Gelijkspanning wordt opgewekt in bijvoorbeeld een batterij en zonnecel. Wisselspanning wordt meestal opgewekt door rotatie zoals bij een dynamo of generator. Er bestaat elektronica om het ene in het andere om te zetten. Zo zal de PSU van een pc de wisselspanning (vanuit het stopcontact) omzetten naar gelijkspanning (voor de elektronica). Bij een UPS zal de wisselspanning worden omgezet naar gelijkspanning (om de accu te laden) om het terug om te zetten naar wisselspanning (om aan te sluiten aan de PSU van de server). En bij PV-panelen heb je een omvormer nodig om de gelijkspanning van de zonnecellen om te vormen naar wisselspanning, zodat je deze in het huishouden kan gebruiken (of het net opsturen).

• 
  PSU
• 
  UPS
• 
  Zonnecel
• 
  PV-omvormer

Kortsluiting

Stel dat je geen verbruiker toevoegt aan jouw kring, bv. door de twee punten van een stopcontact rechtstreeks met elkaar te verbinden. De spanning van het lichtnet en de weerstand van de geleider zijn twee vaste waarden. De weerstand is echter zodanig laag, dat de stroom héél erg hoog wordt: we spreken over kortsluiting. De kortsluitstroom kan zo groot zijn dat veel warmte en vonken of zelfs een vlamboog ontstaat, met het risico van brand.

Stroomkring

Om geen kortsluiting te hebben, moet je dus een verbruiker in jouw stroomkring plaatsen. Neem bv. een bureaulamp in een stopcontact, op een spanning van ongeveer 230 V. Door de weerstand van de lamp (een stuk hoger dan van enkel een geleider) zullen de elektronen het wat moeilijker hebben om zich te verplaatsen. De stroomsterkte zal dus een pak lager liggen t.o.v. de situatie bij de kortsluiting. Voeg je in serie nog een lamp toe, dan zullen de elektronen het nog moeilijker hebben en zal de stroomsterkte dus ook lager liggen (de bronspanning blijft 230 V). Met een hydraulische analogie heb je een tuinslang om het gazon mee te besproeien. Als nu iemand met zijn voet op de tuinslang staat, dan voeg je a.h.w. weerstand toe. Het gevolg zal zijn dat de waterstroom minder hard zal zijn.

In het huishouden sluiten we meestal apparaten parallel aan. Stel dat je op een stopcontact een verdeelstekker aansluit. Op ieder stopcontact van die verdeelstekker blijft 230 V spanning (gelukkig, want alle apparaten die je aanschaft zijn gemaakt voor 230 V). Stel dat je achtereenvolgens een computer, een koffiezetapparaat en een elektrisch vuur aansluit. Het is logisch dat daarmee het totaal vermogen toeneemt. Door het toegenomen vermogen zal ook de stroomsterkte moeten toenemen, daar de spanning gelijk blijft.

Sowieso warmt een geleider op als er een stroom doorheen gaat (het zogenaamde joule-effect). Hoe dunner de geleider en hoe groter de stroom, hoe groter ook dit effect. Als de stroom zodanig hoog wordt, zodat de warmte zodanig toeneemt, dan kan de isolatie van de geleider smelten, waardoor je kortsluiting krijgt (vandaar wordt een haspel soms volledig ontrolt, zodat de warmte zich niet kan ophopen). De warmte die ontstaat in koperbanen op een printplaat kan de koperbaan doen verdampen. Sommige batterijen kunnen ontploffen als ze door kortsluiting te veel stroom moeten leveren.

Zekering

We doen er dus goed aan om bij een te hoge stroom en zeker bij kortsluiting de kring te onderbreken, bv. met een smeltveiligheid of installatieautomaat (zekering). In de specificaties kan je nalezen tot welke stroom ze blijven werken.

• 
  Kortsluiting tussen twee spijkers (12 V, 20 A)
• 
  Smeltzekering (auto's)
• 
  Smeltzekering (glaszekering)
• 
  Installatieautomaat

Als een installatieautomaat teveel uitvalt, zou je geneigd zijn er eentje te installeren die een hogere stroomsterkte aankan. Dat is gevaarlijk als de kabels niet voor zo'n stroomsterkte ontworpen zijn! Dan kan je brand krijgen en het is maar de vraag of de brandverzekering zal willen uitkeren.

Aarding

Aarding is het geleidend verbinden van een object met aarde (als planeet bedoeld). Het resultaat van aarding is, dat het geaarde object daardoor een spanning krijgt van nul volt: de "elektrische aarde". Het gebruikelijke symbool staat hiernaast. Soms wordt dit ook aangegeven als GND (van ground) of COM.

Het doel van aarding is voor het voorkomen van statische elektriciteit, voor het afvoeren van de bliksem en om een geleidende behuizing van een elektrisch apparaat veilig te kunnen aanraken. In het kader van een cursus computersystemen beperken we ons tot het uitleggen van het eerste doel.

Meestal is men er zich niet van bewust dat het menselijk lichaam zeer hoge spanningen kan hebben in droge (isolerende) lucht op een isolerende ondergrond. Men kan zich dan opladen door schuifelen over de grond, zonder dat je merkt dat je “opgeladen bent”. Met een hydraulische analogie verwijst men dan vaak naar waterdruppels (de 'ladingen') in de lucht die condenseren op bv. een spiegel.

Nu kan er een ladingsvereffening zijn, nl. het verschijnsel dat de elektrische lading zich van een lichaam met een hogere elektrische potentiaal naar een lichaam met een lagere potentiaal verplaatst als beide lichamen galvanisch met elkaar worden verbonden. Met een hydraulische analogie zou je kunnen verwijzen naar de wet van de communicerende vaten.

In het voorbeeld van daarnet kan deze ontlading optreden als een ander de hand geeft en er een felle pijnlijke vonk overspringt. Stel dat je bezig bent met het verwisselen van spanningsgevoelige geheugenchips bij computers of het solderen van bepaalde elektronische componenten, dan is het duidelijk dat dit deze chips geen goed doet. In de elektronicawereld heeft men het vaak over een elektrostatische ontlading (met name in de elektronica vaak met het Engelse ESD, electrostatic discharge, aangeduid). Sommige elektronica is daar gevoelig aan, wat dan ook met ESD wordt aangegeven. Deze keer staat het echter voor Electrostatic-sensitive device.

Daar ESD een defect kan veroorzaken aan de elektronica, doe je er goed aan dit te mijden. Met een wollen trui aan werken aan elektronica is geen goed idee. Sowieso doe je er goed aan jezelf eerst te ontladen door bv. een radiator vast te nemen. Op het vlak van fabricage en assemblage van elektrische apparaten wordt veel aandacht besteed aan het voorkomen van het elektrostatisch opladen van machines en personeel. Met geaarde gereedschappen, polsbanden en schoenzolen die met aarde zijn verbonden en elektrisch licht geleidende vloerbedekking, verpakkingsmaterialen en stoelzittingen wordt de strijd tegen ESD aangebonden.

• 
  ESD-waarschuwingssymbool
• 
  schoenen om ESD te voorkomen
• 
  zakje om ESD te voorkomen

Simulaties

Bij de PhET-simulaties kan je onderstaande zaken uitvoeren om bovenstaande bevattelijker te maken:

• 'Stroomkring' is een eenvoudige stroomkring met elektronen, batterij, schakelaar en een verbruiker.
• 'Schakeling met batterij en weerstand' illustreert mooi de verbanden tussen spanning, stroom, weerstand en de warmte die daar bij komt kijken.
• 'Wet van Ohm' geeft de verbanden weer tussen spanning, stroom en weerstand.
• 'Circuit constructiedoos' gebruik je om je eigen gelijkstroomkring te maken met kortsluiting, verbruiker, smeltveiligheid, ...
• 'Het maken van schakelingen' gebruik je als je ook met wisselstroom aan de slag wil. Hiervoor moet je browser wel java-applets kunnen draaien.

Verbruik beperken

Hoe hoger het verbruik, hoe hoger uiteraard de kostprijs. Vandaar doe je er goed aan om maatregelen te nemen om het verbruik van een systeem te beperken. Hoe je dit kan aanpakken wordt besproken als onderdeel van Groene ICT > Verbruik.

Misverstanden

Ter info enkele misverstanden.

Verbruik

Dat we energie verbruiken is een misverstand, want zo lijkt het alsof die energie weg is. Energie kan echter niet worden gecreëerd uit het niets (een perpetuum mobile bestaat niet) of worden vernietigd waardoor er niets meer overblijft. Energie kan enkel worden omgezet van de ene in de andere vorm (omwille van de wet van behoud van energie). Toch wordt de term verbruiken heel vaak gebruikt, alhoewel het dus eigenlijk niet de beste woordkeuze is.

Enkele voorbeelden van het omzetten van energie:

• Bij een batterij kan chemische energie worden omgezet in elektrische energie.
• Deze elektrische energie kan worden omgezet in kinetische energie wanneer deze batterij gebruikt wordt in een telegeleide auto.
• Een stuk van deze kinetische energie zal worden omgezet in warmte door wrijving.

Bij een energieomzetting wordt vaak een stuk omgezet als restwarmte. Zo was de gloeilamp bedoeld om licht te geven, maar eigenlijk ging er maar 5 à 10 % naar zichtbaar licht en de rest naar warmte. Bij elektronica is er soms zodanig veel restwarmte dat extra koeling nodig is, bv. een ventilator bij de processor of grafische kaart.

/uur versus *uur

In het dagelijkse leven zijn we zodanig gewend aan de eenheid kilometer per uur (km/h) dat we geneigd zijn om ook bij elektriciteit overal per uur te schrijven. Merk op:

• Vermogen is gedefinieerd als de opgewekte of verbruikte hoeveelheid energie per tijdseenheid. Toch vind je bij een spaarlamp als kenmerk niet terug 11 W/h, omdat in de eenheid watt al een tijdseenheid zit! Een andere voorstelling voor watt is namelijk joule per seconde. De eenheid voor vermogen is dus wel degelijk W.
• Elektrische arbeid (verbruik) wordt uitgedrukt als Wh. Als een spaarlamp van 11 watt 1 uur wordt gebruikt dan heeft hij een verbruik van 11 Wh (dus niet 11 W/h!). Als je deze 2 uur gebruikt, dan wordt dit 11 W * 2 uur = 22 Wh. Bij grotere verbruikers krijg je snel grote getallen, dus wordt vaak kWh als eenheid gebruikt. Bijvoorbeeld 22 Wh = 22 / 1000 kWh = 0,022 kWh.

Het net als batterij

Dat je het elektriciteitsnet zomaar kan gebruiken als een batterij is een hardnekkig misverstand. Zo denken sommige mensen met zonnepanelen dat ze geen verbruik hebben omdat bij de afrekening de teller dankzij de zonnepanelen volledig is teruggedraaid. Het lijkt dan alsof je bij zonnige dagen je overschot aan elektriciteit “op het net stopt”, zoals je een batterij laadt. Op de minder zonnige dagen kan je dan díe elektriciteit terug afnemen. In de praktijk klopt dit helemaal niet: om het net in evenwicht te houden moet er altijd evenveel vraag, als aanbod zijn. Daar zit een beetje rek op, maar niet veel. Het elektriciteitsnet werkt dus niet zoals een bank waar je het gespaarde geld kan bewaren om deze pas later opnieuw te gebruiken.

Dit kunnen we duidelijker maken met een hydraulische analogie. Stel dat je voor de waterleidingen in de straat niet alleen water kan afhalen, maar er ook water kan bijstoppen (in het echt mag dit niet). Het is duidelijk dat als je water afhaalt, dat niet meer wordt bijgevuld, de waterdruk (≈ de spanning) zal dalen. Omgekeerd: als je water bijstopt zal de waterdruk (≈ de spanning) stijgen. Als die stijging te groot wordt, zouden waterleidingen en apparaten kunnen kapotgaan.

Dit is ook zo met het elektriciteitsnet. Als je zonnepanelen meer opwekken, dan dat je op dat moment zelf verbruikt, dan zoekt de elektriciteit zich automatisch een weg totdat hij iemand vindt die deze elektriciteit kan gebruiken. In eerste instantie jouw buren, maar deze energie kan zich ook verder verplaatsen. Ook omgekeerd: als er op een bewolkte, windstille winterdag veel elektriciteit nodig is, dan moet er ergens iets zijn (gasturbine, kernenergie, een waterkrachtcentrale in Noorwegen,...) dat deze energie produceert.

Er moet dus gezorgd worden dat het elektriciteitsnet altijd in evenwicht blijft! Voorbeelden van het overeenstemmen van vraag en aanbod:

• De TV pickup in het Verenigd Koninkrijk. Het treedt op wanneer een groot aantal mensen op hetzelfde moment, hetzelfde TV-programma bekijken (lineair kijken). Op hetzelfde moment hebben ze dus ook allen pauze. Populair is bv. de waterkoker om thee te zetten: dit zorgt voor een piek in de vraag, dus moet het aanbod volgen.
• Als het aanbod van een kerncentrale plots wegvalt, maar de vraag blijft, dan moet een andere productie kunnen opschalen of aangezet worden. Bv. Tihange 1 en Waterkrachtcentrale van Coo-Trois-Ponts.
• In een wijk met veel zonnepanelen en een zonnige dag kunnen deze zodanig veel energie opwekken dat de spanning boven zijn veiligheidsmarge stijgt, waardoor de omvormers van de zonnepanelen zichzelf uitschakelen, om het aanbod te laten dalen en terug te kunnen afstemmen op de vraag, zodat het net stabiel blijft.

Omdat fossiele brandstoffen eindig zijn en omdat we de CO₂-uitstoot binnen de perken moeten houden omwille van de klimaatverandering, moet het aandeel hernieuwbare energie toenemen. Jaren waren we gewoon aan voorspelbare energiebronnen zoals kernenergie of gasturbines. Wind- of zonne-energie is een stuk minder voorspelbaar. Deze laatste hebben nu een zodanig klein aandeel dat dit meestal geen probleem is, maar in de toekomst zal dit veranderen. Bij een energietransitie moeten de volgende zaken moeten dus extra aandacht krijgen in een duurzaam elektriciteitsnet:

• Energiebronnen die flexibel aangezet kunnen worden (bij bv. weinig zon of wind) of uitgezet kunnen worden (bij bv. veel zon of wind).
• Energieopslag, bv. Waterkrachtcentrale van Coo-Trois-Ponts, batterijen,...
• Zwaardere/meer verbindingen tussen landen (zie artikel).
• Slimme netten, zodat elektriciteit kan worden gebruikt als er veel aanbod is (elektrische boiler, warmtepomp, diepvries,...)

Hoogspanning op de Noordzee: Nemo verbindt Belgische met Britse stroomnet

Een onderzeese hoogspanningsverbinding van 140 kilometer verbindt België (Zeebrugge) en Groot-Brittannië. Er is gekozen voor hoogspanningsgelijkstroom (HVDC) die langere afstanden dan wisselstroom kan afleggen zonder daarbij veel energie te verliezen. Een belangrijk aspect is dat de Britten in een andere tijdzone zitten. Als er bij ons een piek is omstreeks 5 uur 's avonds op een donkere winteravond, dan kunnen we de overschot van de Britten goed gebruiken en een uurtje later kunnen wij dan onze overschot aan stroom aan de Britten verkopen. Aan deze link is 10 jaar lang gewerkt, goed voor een investering van 628 miljoen euro.

(nl) Hoogspanning op de Noordzee: Nemo verbindt Belgische met Britse stroomnet. vrt.be (2017-09-13). (nl) Immense hoogspanningskabel onder zee verbindt België met het Verenigd Koninkrijk. vrt.be (2018-12-05). (nl) Enorme kabels in de Noordzee in gebruik genomen: België stuurt voor het eerst stroom naar Britten. vrt.be (2019-01-31).

De elektriciteitsfactuur

Als je als particulier jouw elektriciteitsfactuur wil doorgronden en wat opzoekwerk doet, blijken er heel wat spelers op die energiemarkt te zijn. Een misverstand is dat sommigen denken een contract af te sluiten met een producent en dat als je zou veranderen van producent je een nieuwe kabel en meter zou nodigen hebben. Het contract wordt echter afgesloten met een leverancier. De kabels in de straat en de meter van jouw huis worden geplaatst door de distributienetbeheerder. Deze kan je niet vrij kiezen, want deze wordt bepaald door waar je woont. De leverancier moet zelf één of meerdere producenten zoeken, zodat hij aan alle abonnees voldoende elektrische energie kan leveren. De leverancier kan zelf ook (een deel van) de energie produceren.

De factuur ontvang je van de leverancier en bevat dus niet alleen de zuivere kostprijs voor het maken van de elektriciteit, maar ook voor heffingen, het gebruik van het distributienet,...

Als consument doe je er goed aan om de goedkoopste leverancier te zoeken: elektriciteit is namelijk elektriciteit. Bij het veranderen van leverancier blijven dezelfde kabels (beheert door de distributienetbeheerder) tot aan jouw huis gebruikt worden. Meer zelfs: de kans bestaat dat je de elektriciteit van dezelfde producent blijft gebruiken als voordat je veranderde. Stel bv. dat je het groenste abonnement neemt, maar je woont net naast een kerncentrale: dan zal je wellicht díe elektriciteit gebruiken. Terwijl iemand anders die ultra-pro-kernenergie is net de elektriciteit gebruik van het windmolenpark naast de deur. Uiteraard moet de leverancier wel garanderen dat hij die producent(en) heeft gezocht, zodat voldaan wordt aan de omschrijving van al zijn abonnementen.