Denk als je een lamp aanknipt eens aan al die elektronen die door het snoer heen razen. Met triljarden andere elektronen hebben ze een heel lange reis afgelegd door nauwe kabels.
En onderweg zijn ze veel kameraden verloren. Want voor elektronen zijn koperen kabels als een kleverige siroop, die weerstand biedt.
En aangezien er miljoenen kilometers aan elektriciteitskabels zijn, gaat ongeveer 10 procent van de wereldwijd geproduceerde stroom al vóór de eindbestemming verloren.
In een race tegen de klimaatverandering zijn we bezig zwarte kolen te verruilen voor groene stroom uit wind en zon.
Die moet snel naar de consument, en dat gaat nu via trage kabels. Ingenieurs en natuurkundigen willen de koperen leidingen vervangen door de elektronensnelweg van de toekomst: supergeleidende stroomkabels.
Groene stroom uit zeekabels
Ingenieurs rollen duizenden kilometer kabel uit, die stroom uit wind, zon en aardwarmte snel naar het land van bestemming moeten brengen. Drie nieuwe projecten wijzen de weg voor de stroomverdeling in Europa.
Vanuit de IJslandse bodem naar Schotland
Met aardwarmte kan IJsland met weinig CO2-uitstoot veel elektriciteit produceren. De geplande kabel IceLink naar Schotland moet overtollige stroom naar het Europese elektriciteitsnet transporteren.
Stroom uit windmolens op zee steekt Noordzee over
Energiebedrijven werken aan de zeekabel Viking Link – een verbinding tussen Denemarken en Groot-Brittannië, die beide grote windmolenparken hebben. De stroom kan heen en weer over de Noordzee.
Middellandse Zee krijgt langste zeekabel in Europa
De EuroAsia Interconnector, die het Midden-Oosten en Europa moet verbinden via Israël en Griekenland, kan de langste, krachtigste zeekabel worden en Cyprus tot een elektrische poort naar Azië maken.
Groene stroom vereist megakabels
De eerste energiecentrales, zoals de Holborn Viaduct-centrale in Londen, werden eind 19e eeuw geopend en leverden gelijkstroom voor de verlichting van fabrieken, hotels en straten.
Ze waren klein en werden met kolen gestookt. Inmiddels zijn ze veel krachtiger en is het netwerk van distributiekabels gegroeid, maar het basisprincipe is gelijk gebleven.
Kijk hoe een onderwaterrobot kabels legt
De op afstand bestuurbare Sea Mole rijdt over de zeebodem langs de kabel en graaft met water onder hoge druk een geul waar deze in komt te liggen.
De Elektrownia Bełchatów in Polen is nu de grootste kolencentrale van Europa.
Per jaar wordt er 28 terawattuur, of 28 miljard kilowattuur, opgewekt – genoeg voor ruim vijf miljoen huishoudens. Bij deze en alle andere traditionele energiecentrales wordt de elektriciteit geproduceerd door een generator, die wordt aangedreven door een stoomturbine.
Als de energiebehoefte stijgt omdat de avondmaaltijd in Polen bereid wordt, is het simpel gezegd een kwestie van meer kolen op het vuur scheppen.
Maar bij de verbranding van kolen komt kooldioxide (CO2) vrij en dat draagt bij aan de klimaatverandering. Elektrownia Bełchatów stoot jaarlijks circa 37.000.000 ton CO2 uit en is daarmee een van de milieuvervuilendste centrales van Europa.
Als energie wordt opgewekt uit duurzame bronnen als wind, zon en water is de uitstoot van broeikasgassen veel lager.
Maar de productie moet worden afgestemd op de vraag en als Poolse keukens alleen stroom van duurzame centrales in Polen mogen gebruiken, hoe moet dat dan op dagen zonder zon of wind?
Schip legt 17.000 ton kabel
630 kilometer kabel wordt er uitgerold door de Noordzee, om stroom van windmolens op zee heen en weer te sturen tussen Groot-Brittannië en Denemarken. Het schip Leonardo da Vinci is hierop gebouwd: het rolt 100 kilometer kabel per keer uit, op de centimeter precies. Een op afstand bestuurbare robot graaft de kabels in de zeebodem in.
Schroeven houden koers vast
Het schip heeft twee schroeven voor de aandrijving en vijf roerpropellers, die 360 graden kunnen draaien. Ze blijven op koers met het navigatiesysteem DP3, dat met data van gps en windmeters o.a. berekent hoe het schip de stroming moet compenseren.
Kabel wordt uitgerold
In een fabriek gemaakte kabels van 100 km per stuk worden op haspels gelegd. Vandaar wordt de kabel aan de achterzijde van het schip uitgerold met dezelfde snelheid als het schip, – doorgaans 4 à 5 km/h. De Viking Link wordt zo in zeven keer gelegd.
Onderzeeër graaft kabel in
De kabel kan worden verschoven of kapot getrokken door zeestromen, sleepnetten of ankers. Daarom graaft een onderwaterrobot de kabel met water onder hoge druk in de bodem in. Op kwetsbare plekken wordt de kabel in een 3 meter diepe geul gelegd.
Het antwoord ligt in nieuwe kabels die de elektriciteit snel naar haar bestemming brengen.
Daarom zijn ingenieurs in heel Europa bezig het elektriciteitsnet sterk uit te breiden. Zo zijn Britse en Deense energiecentrales recent begonnen met het leggen van de Viking Link, een zeekabel van 630 kilometer dwars door de Noordzee.
Komende jaren gaat het schip Leonardo da Vinci de vele kilometers kabel tussen Groot-Brittannië en Denemarken leggen. Als de verbinding in december 2023 klaar is, kan ze 1400 megawatt (MW) tussen beide landen vervoeren.
Laat de wind de Britse turbines draaien, dan wordt de overtollige energie naar het Europese vasteland gestuurd, en wanneer het weerfront zo’n 36 uur later de Deense windmolenparken in de Noordzee bereikt, wordt de stroom teruggestuurd naar de Britse consumenten.
Naar verwachting zal de Viking Link tegen 2030 9 terawattuur (TWh) per jaar heen en weer vervoeren – het verbruik van circa 1,5 miljoen huishoudens.
Als de stroom vanuit de diepzee aan land gaat, moet deze van gelijkstroom in wisselstroom worden omgezet voor hij het stopcontact bereikt. Dat gebeurt in een omvormerstation. Vervolgens gaat de stroom via kabels onder de grond of in de lucht naar lokale stations. Daar wordt de stroom omgezet van 400.000 volt in de 230 volt wisselstroom die uit het stopcontact komt. De krachtigste omvormer ter wereld kan wel 1.100.000 volt aan en is gebouwd door Siemens.
Kabels als de Viking Link in heel Europa moeten ervoor zorgen dat Poolse fornuizen elektriciteit kunnen krijgen van Britse windmolens als het daar waait, en dat de Britten hun middagthee op Spaanse zonne-energie kunnen zetten voor in Spanje de avond valt.
Waterkracht steekt de zee over
Toekomstige zeekabels kunnen veel langer worden dan die door de Noordzee. Zo heeft Groenland een groot waterkrachtpotentieel. Niet door het smeltende landijs, maar door de regen, die zich verzamelt in grote meren nabij de kust.
Het land heeft nu slechts vijf kleine waterkrachtcentrales, omdat er geen afnemers zijn. Maar met een zeekabel via IJsland naar Schotland zou Groenlandse stroom naar het Europese continent kunnen worden gebracht.
Superkabels door nieuwe techniek
Supergeleidende kabels hebben geen elektrische weerstand, waardoor er geen energie verloren gaat. Nieuwe technologieën voor koeling, isolatie en geleiding maken de nieuwste versies mogelijk.
Supergeleiders zijn keramische platen
Op dit moment is barium-koperoxide hét materiaal voor supergeleidende kabels. Het wordt niet zoals koper in draadvorm gemaakt, maar in de vorm van keramische platen. Die bestaan uit zuivere grondstoffen die worden vermalen, samengeperst bij een druk van 1400 bar en gebakken bij 900 °C.
Papier is flexibel en isoleert effectief
Supergeleidende kabels kunnen niet met kunststof worden geïsoleerd, zoals het snoer van je koffieapparaat. Men gebruikt papier. De cellulose daarin isoleert (gedrenkt in vloeibare stikstof) effectief en blijft flexibel, zelfs bij de extreem lage temperaturen waarbij gassen vloeibaar worden.
Pompen koelen kabels met vloeibare stikstof
Als moderne supergeleiders boven de -200 °C komen, smelten ze door de grote hoeveelheden energie direct en wordt de kabel verwoest. Daarom wordt er een ononderbroken stroom vloeibare stikstof door de kabel gepompt. De pompen die daarvoor nodig zijn, werken het meest stabiel bij -200 °C.
Naar schatting van het Groenlandse energiebedrijf Nukissiorfiit kunnen de waterkrachtcentrales aan de kust tot 20 TWh energie per jaar produceren – bijna net zo veel als de Poolse kolencentrale Elektrownia Bełchatów.
De grote uitdaging is de 1500 kilometer zeekabel om de centrales met het Europese stroomnet te verbinden.
Die moet in lastige wateren worden gelegd en het is een lange reis voor de elektronen.
De geleider in de kabel bestaat gewoonlijk uit koper. Op zilver na is koper namelijk het materiaal dat de elektronen de minste weerstand geeft.
Maar zelfs het zuiverste koper geeft over honderden kilometers toch nog veel weerstand.
De geleider in de kern van een zeekabel zoals de Viking Link heeft een diameter van circa 48 mm en daarmee een gemiddelde oppervlakte van 1800 mm2, en de elektrische spanning is niet 230 volt zoals in je stopcontact, maar veel hoger. De spanning in de Viking Link is 525 kV, omdat een hogere spanning het energieverlies onderweg beperkt.
Maar ondanks die hoge spanning en de vuistdikke kabel, komt een deel van de stroom niet aan.
Op het land is hoogspanning meestal 50 Hz wisselstroom, die 50 keer per seconde van richting verandert. Maar bij de enorme lengte van zeekabels werkt wisselstroom niet, doordat de stroom niet meer aan beide uiteinden met dezelfde frequentie van richting kan veranderen. Daarom worden HVDC-kabels gebruikt. Die vervoeren gelijkstroom bij spanningen van 400-500 kV, want bij een hogere spanning gaat er minder energie verloren.
Van de 1400 MW die door de geleiders van de twee kabels van de Viking Link loopt, gaat minstens 20 MW onderweg verloren in de vorm van warmte.
20 MW lijkt misschien niet zo veel, maar het is ruim 200 keer zo veel als de oude Holborn Viaduct-centrale in Londen in het beste geval kon produceren.
Als de energiecentrales kabels leggen die nog dikker zijn en de elektriciteit met nog hogere spanningen distribueren, wordt het verlies minder.
Maar het is niet praktisch uitvoerbaar om grotere kabels te leggen als we een wereldwijd elektriciteitsnet willen. Daarom zullen we de hulp moeten inroepen van zogeheten supergeleiders.
Weerstandloze supergeleiders
De zeekabel Viking Link verliest 20 MW over 630 kilometer afstand. Een supergeleider van die lengte zou echter niets verliezen. Alle elektriciteit bereikt de overkant.
De term ‘supergeleider’ stamt uit 1911, toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes de eigenschappen van materialen bij zeer lage temperaturen onderzocht.
Wetenschappers als lord Kelvin, naar wie de temperatuurschaal van Kelvin is genoemd, dachten dat metalen bij 0 kelvin (-273,15 °C) een oneindig grote elektrische weerstand zouden hebben.
Maar Onnes was het daar niet mee eens. Op 8 april 1911 liet hij elektriciteit door kwik van -269 °C gaan en zag hij dat de elektrische weerstand, de resistiviteit, nul was. Het materiaal was, zoals Onnes het noemde, supergeleidend.
Kabels van supergekoeld kwik zijn niet praktisch bruikbaar, maar de ontdekking vormde het startschot voor een zoektocht naar een materiaal met dezelfde eigenschap bij een hogere temperatuur.
Fysici noemen dit een hogetemperatuursupergeleider (HTS). Jarenlang was het record in handen van een legering van kwik, barium en calcium, die supergeleidend is bij -140 °C onder normale druk. Maar mogelijk is het record verbroken.
Op 10 maart 2014 werd in het Duitse Essen de langste supergeleidende stroomkabel ter wereld ingewijd. Hij meet 1 kilometer en verbindt de twee omvormerstations Herkules en Dellbrügge in het centrum van de stad. De supergeleidende kabel kan 40 MW transporteren met nauwelijks verlies. De supergeleiders in de kabel zijn van yttrium-barium-koperoxide, dat bij -200 °C een weerstand heeft van bijna nul. Het testproject, dat AmpaCity heet, maakt naast koperen kabels deel uit van het elektriciteitsnet van Essen.
Indiërs doen verrassende vondst
In 2018 publiceerden de natuurkundigen Anshu Pandey en Dev Kumar Thapa van het Indian Institute of Science in Bangalore een sensationeel onderzoek.
Ze hadden nanodeeltjes van goud en zilver gemaakt die supergeleidend waren bij 13 °C. Het resultaat werd gepubliceerd in arXiv, een online medium voor onderzoeksartikelen die nog niet collegiaal zijn getoetst. Al snel bogen andere onderzoekers zich over de resultaten.
Toen de natuurkundige Brian Skinner van het Massachusetts Institute of Technology de metingen onder de loep nam, stuitte hij op een aantal opvallende patronen die niet met bekende kennis te verklaren waren.
Skinner stelde vragen aan de Indiërs, maar Pandey en Thapa lieten alleen weten dat ze wachtten op verificatie van hun resultaten door collega’s. In mei 2019 zetten ze een
geredigeerd artikel op arXiv, maar dat laat nog steeds veel vragen onbeantwoord.
Het is nog niet mogelijk de resultaten te reproduceren, dus we weten niet of Pandey en Thapa echt een van de belangrijkste natuurkundige ontdekkingen ooit hebben gedaan.
Maar als hun onderzoek het mogelijk maakt supergeleidende kabels in massa te produceren, kan dat leiden tot supersnelle computers, ultraprecieze metingen en een mondiaal elektriciteitsnet dat onbelemmerd stroom vervoert naar elke gewenste plek.
Stroom moet de wereld rond
Een mondiaal netwerk van supergeleidende kabels kan betekenen dat je op een winterdag je stroom van zonnecellen in de Sahara krijgt en dat Europese windmolens ’s nachts stroom naar Australië sturen, als wij het niet nodig hebben.
Als wereldwijde distributie van elektriciteit zonder weerstand mogelijk wordt, wordt het ook minder relevant om onderzoek te doen naar bijvoorbeeld nieuwe typen batterijen om groene energie op te slaan. Want er is altijd wel een plek waar het zonnig is, regent of waait, en er is altijd wel een plek waar iemand stroom nodig heeft.
Zo’n systeem ligt nog tientallen jaren in de toekomst. Tot die tijd moeten we nog steeds 5 triljoen (miljard miljard) elektronen betreuren voor elke 50 triljoen van hun kameraden die uit het stopcontact komen.