We kwamen de HVDC-kabel al tegen in het gedeelte over het net in Nederland en Vlaanderen. Maar er is veel te vertellen over dit soort kabels. Het is namelijk aan de ene kant al een oude techniek, maar aan de andere kant is HVDC dé ontwikkeling op hoogspanningsgebied van de laatste twee decennia.

Zeekabels voor elektriciteit bestaan al wel een tijdje. Een aantal van de Waddeneilanden en wereldwijd vele andere eilanden zijn door middel van een zeekabel aangesloten op het net. Ook gelijkstroom-zeekabels zijn al oud, en ook exemplaren die meer dan 100 kilometer overbruggen zijn niet nieuw. De eerste stamt al uit het midden van de vorige eeuw. Toen werd het Zweedse eiland Gotland door middel van een gelijkstroom-zeekabel (100 kV, 20 MW) met het vasteland verbonden. Maar zeekabels van dit type die in hun eentje in staat zijn tot het transporteren van het vermogen van een grote centrale of zelfs nog meer, zijn echter een betrekkelijk nieuw fenomeen. 

Het is namelijk een heel andere categorie en ordegrootte dan de voorgangers. De laatste vijftien jaar zijn er voor het eerst zeekabels gelegd en in gebruik genomen die echt grote vermogens van meer dan 300 MW kunnen verzetten en daarmee in staat zijn tot meer dan nodig is voor bijvoorbeeld eilanden. Ook Nederland was van de partij bij de ontwikkeling van dit soort zware kabels. De eerste HVDC-kabel (High Voltage Direct Current) met een serieus vermogen is de in 1991 opgeleverde Baltic Cable (Duitsland-Zweden), die overigens ook een stukje bovengronds loopt.

Inmiddels liggen er een ruim dozijn van dit soort kabels door de Noord-Europese zeebodem en telt Nederland ook twee aansluitingen. De NorNed-kabel, tussen Nederland en Noorwegen, was de eerste van de twee. In 2008 is deze kabel met een capaciteit van 700 megawatt opgeleverd. Momenteel is het de langste onderzeese stroomkabel ter wereld, met een totale lengte van 580 kilometer tussen de Emshaven en het Noorse Feda. In 2010 kwam ook de BritNed-kabel gereed, die nog een iets hogere capaciteit heeft van 1 Gigawatt. Tussen andere landen verschenen de laatste vijftien jaar soortgelijke kabels, zoals de Cross-Skagerak (Denemarken-Noorwegen) en er zijn plannen voor nog een aanzienlijk aantal nieuwe kabels. In België zijn er plannen voor twee 150 kV-gelijkstroomkabels naar windmolenparken op zee, maar er zijn geen plannen voor zware interconnecties zoals de twee bestaande kabels in Nederland.

Waarom van die zeekabels?

Onderzeese kabels naar eilanden en windmolenparken zijn te begrijpen. Maar waarom een kabel naar Noorwegen? Toch zijn er goede redenen. De grote zeekabels worden gebruikt om de energiemarkt efficiënter te maken. In Noorwegen wordt alle stroom geproduceerd met waterkracht. Een mooie techniek, maar als het stuwmeer leeg is heb je natuurlijk een groot probleem. In Nederland is er (met name in het noorden) nogal wat aardgas en bijbehorende centrales. Die zijn weliswaar niet groen, maar ze hebben geen last van lege reservoirs en ze kunnen een tandje hoger of lager gezet worden wanneer we maar willen. Dankzij de NorNed-kabel kan overdag (bij piekvraag naar stroom) goedkope en schone Noorse waterkracht-energie naar Nederland worden getransporteerd. 's Nachts kunnen de aardgascentrales mooi constant door blijven draaien en stroom de andere kant op leveren, richting Noorwegen. Daar kunnen de stuwmeren dan worden gespaard. Als het nodig is kan de stroom zelfs worden gebruikt om water terug de meren in te pompen, zodat de waterreservoirs tevens dienst doen als een soort enorme accu's.

Overigens is Nederland niet het enige land dat het op deze manier aanpakt. De NordLink (Noorwegen-Duitsland) en de Cross-Skagerak (Noorwegen-Denemarken) doen hetzelfde. 

Technische uitdaging

Maar waarom staat er gelijkstroom op de kabels terwijl het hele stroomnet op wisselstroom is gebouwd? Ook daarvoor is een goede reden. Wisselstroom kan efficiënt over lange afstanden worden vervoerd, maar wanneer de afstand zeer lang wordt (meerdere honderden kilometers), dan gaan kleine hinderposten zoals het skineffect, inductie tussen de kabels, zelfcapaciteit en vooral de invloed van water een steeds grotere rol spelen. Water is als molecuul gevoelig voor elektrische en magnetische velden en interactie van het wisselend elektrisch veld rond de kabel met het zeewater zal zorgen voor meer zelfcapaciteit en extra weerstand in de kabel. Uiteindelijk nemen deze hinderposten zo'n grote rol aan dat de weerstand van de geleiders in zoverre toeneemt dat de hitte-ontwikkeling en de efficiëntie van de geleiders in een wisselstroomkabel onrendabel worden.

Daarom wordt voor zeer lange afstanden gelijkstroom gebruikt. Bij gelijkstroom treden het skineffect en veranderende inductie niet op en heeft men alleen te stellen met de betrekkelijk simpele Ohmse weerstand van het materiaal zelf. In het geval van de zeekabels is de gelijkstroom er eentje met een niet te missen spanning van +450.000 volt. 

Doorsnede NorNed

De hele NorNed-kabel is kleiner en dunner dan je op het eerste gezicht zou verwachten. Kabelfabrikant ABB heeft voor de NorNed-kabel gekozen voor één kabel met twee geleiders (de Britned-kabel bestaat uit twee afzonderlijke kabels met één geleider elk, want dit wordt gezien als minder gevoelig voor storingen).

Hierboven zien we een doorsnede van de kabelopbouw zoals die in een vaktijdschrift werd gepubliceerd. De volle 700 MW moet over de twee koperen kernen (ø 35 mm) in het midden van de cirkels heen. De rest van de kabel is isolatiemateriaal (oliegedrenkt papier!), pantsering en afdichting. De twee blauwe puntjes zijn signaalkabels die gebruikt worden voor temperatuurmeting en monitoring van de kabel.

Geen retourdraad

Wie een normaal gelijstroomcircuit (zoals in een kinderspeeltje) bekijkt, ziet een plusdraad en een mindraad. Op de mindraad is de spanning gelijk aan nul, maar de stroomsterkte niet. Immers, de elektrische lading moet wel terug naar de batterij kunnen. De onderzeese kabels maken ook gebruik van dezelfde stroomsoort (uiteraard flink opgeschaald), maar het is niet zo dat de twee kernen in de kabel dan ook een plusdraad en een mindraad zijn. Wat dat betreft lijken ze meer op een auto: daarin zit vanuit de accu wel een plusdraad, maar er is géén mindraad aangelegd. De hele auto is van ijzer en kan daardoor stroom geleiden, dus het chassis van de machine zelf wordt als gezamelijke minpool (of "massa" geheten) gebruikt.

De zeekabels doen dat net zo. De kabel zelf (ongeacht het aantal geleiders en of deze geleiders samen in één kabel zijn gebundeld of op enige afstand van elkaar liggen) voert dezelfde spanning. De grond, in dit geval letterlijk de aarde, wordt als de retourdraad gebruikt. Men slaat een flink aantal grote electrodeplaten de grond in en verbindt daarmee de hele planeet aan het circuit, net zoals de auto aan de accu. In het verleden, bij de Cross Skagerak-kabel, werd ook wel het zeewater zelf als retour gebruikt, maar dat wordt tegenwoordig niet meer gedaan vanwege ongewenste chloorgasvorming op de waterelektroden.

Converterstations

Aan beide kanten van de kabel moet de gelijkstroom weer in wisselstroom kunnen worden omgezet. En daar zat hem vroeger (en ook nu nog) het probleem: eenvoudig is dat niet. Voor dit doel worden zogeheten inverters gebruikt. Met een mechanische (vroeger) of elektronische schakeling (nu) wordt de polariteit van de stroom wisselend gemaakt of gelijkgericht. Om vervolgens een mooie sinusgolf te maken die identiek is aan die van wisselstroom, worden er enorme condensators ingezet. In een invertertje voor 220 volt in je auto zit deze techniek ook. Maar hetzelfde kunstje toepassen op elektrische vermogens van 700 megawatt is een heel ander verhaal en het was technisch niet eenvoudig om voor elkaar te krijgen. In de Emshaven en op de Maasvlakte staan nu op de plekken waar de NorNed en de BritNed-kabel aan land komen, twee aanzienlijke gebouwen met grote inverters en condensatorbanken waar dit werk geklaard wordt.

Succesverhaal

Dat mag allemaal wat kosten. Maar het effect is er ook naar. De NorNed-kabel is sinds zijn ingebruikname (ondanks twee heel nare storingen midden op zee) een groot succes gebleken. De BritNed-kabel bestaat ten tijde van dit schrijven nog te kort om daar uitspraken over te doen, maar de verwachting is dat ook deze kabel zijn kosten waard zal blijken te zijn. Het zal je dan ook niet verbazen dat er plannen zijn voor een NorNed 2 en de COBRA Cable, een zeekabel tussen Nederland en Denemarken die vooral interessant zal zijn vanwege het sterk wisselende aanbod van windenergie in Denemarken. 

Over de BritNed Cable is heel wat afgeschreven. Maar soms zeggen beelden meer dan 1000 woorden. Op het onderstaande (Engelstalige) filmpje op Youtube wordt de hele gang van zaken rond een grote zeekabel zoals de BritNed netjes uit de doeken gedaan. Wat ons betreft een aanrader.