Velen van ons begrijpen niet echt hoe elektriciteit werkt. Het is genoeg dat het wel werkt – je draait de schakelaar om en het licht gaat aan in de kamer. Het kan dan ook als een verrassing komen om te horen dat er eigenlijk twee verschillende soorten elektriciteit zijn die we gebruiken om de vele apparaten in ons leven van stroom te voorzien. Ze staan bekend als wisselstroom en gelijkstroom, of AC en DC (niet de rockband uit het 70-er jaren).
In de meest eenvoudige bewoordingen: gelijkstroom stroomt slechts in één richting, terwijl wisselstroom heen en weer stroomt. Een zaklantaarn werkt bijvoorbeeld op gelijkstroom, waarbij de lading uit de batterij komt en de lamp van stroom voorziet. Een plafondlamp in uw huis daarentegen werkt op wisselstroom, die voortdurend van polariteit verandert terwijl hij door het elektriciteitsnet van uw huis loopt.
Maar waarom hebben we twee verschillende soorten elektriciteit nodig, en hoe zijn deze duale systemen ontwikkeld? Het antwoord ligt in een bittere rivaliteit tussen een paar van de beroemdste uitvinders uit de Amerikaanse geschiedenis.
De oorsprong van gelijkstroom
Vóór de jaren 1870 vertrouwden de mensen op gaslampen, kaarsen of lantaarns om hun omgeving ’s nachts te verlichten. Er was vooruitgang geboekt op het gebied van rudimentaire batterijen en elektrische verlichting, maar niets was praktisch genoeg voor dagelijks gebruik. Dat veranderde allemaal toen Thomas Edison in 1879 een gloeilamp uitvond die veel betrouwbaarder was dan alles wat daarvoor was gekomen.
Met elektrische lampen kwam de mogelijkheid om huizen en zelfs hele steden van stroom te voorzien, en Edison had zijn ogen gericht op het veroveren van de ontluikende markt. Zijn lampen werkten op gelijkstroom, opgewekt door centrales die dynamo’s werden genoemd en die stoommachines gebruikten om de elektriciteit op te wekken. De uitvinder gaf in de jaren 1880 via zijn bedrijf Edison Electric, een voorloper van General Electric, leiding aan de aanleg van talrijke gelijkstroomgeneratoren in New York City.
Elektrische lampen in huizen en bedrijven waren een openbaring, maar het gebruik van gelijkstroom had ook zijn nadelen. De stroom kwam rechtstreeks van de opwekkingsinstallatie met een spanning van 110 volt, en kon slechts ongeveer een kilometer worden vervoerd voordat er te veel spanning verloren ging. Dat betekende dat er veel waardevol onroerend goed in de stad moest worden gebruikt om krachtcentrales te bouwen, terwijl plattelandsgemeenschappen helemaal buiten de stroomrevolutie zouden blijven.
De opkomst van alternatieve stroom
Een van Edisons medewerkers, een jongeman genaamd Nikolai Tesla, had een idee om enkele van de nadelen van gelijkstroom aan te pakken. Tesla had een motor uitgevonden die wisselstroom genereerde. Wisselstroom wordt, toepasselijk genoeg, geproduceerd met behulp van een dynamo die een magneet binnen een draadspoel laat ronddraaien, waardoor elektriciteit ontstaat met voortdurend omkerende polariteit als de draad in wisselwerking staat met afwisselende kanten van het magnetische veld.
Naast de nieuwe vorm van elektriciteit zelf, was de sleutel tot Tesla’s idee transformatoren, of spoelen van verschillende grootte om de spanning van de elektriciteit te wijzigen. Dankzij de kracht van transformatoren werd wisselstroom voordelig voor grootschalige opwekking en distributie, want hoe hoger de spanning, hoe efficiënter de transmissie. Hoogspanningslijnen zijn te gevaarlijk om een gebouw binnen te brengen, maar door middel van een transformator kan de spanning tot een veiliger niveau worden teruggebracht naarmate de eindbestemming, huizen en kantoren, nadert.
Het voltage van gelijkstroom kon niet gemakkelijk worden gewijzigd, zodat het veel minder bruikbaar bleek voor grootschalige operaties, omdat je voor de keuze stond om ofwel met een laag, inefficiënt voltage te zenden, of gevaarlijk hoge voltniveaus de huizen van de mensen binnen te sturen.
De oorlog van de stromen
Ondanks de belofte van Tesla’s uitvindingen was Edison niet geïnteresseerd in het helpen ontwikkelen van de technologie, dus vertrok Tesla om voor zichzelf te beginnen. Het resultaat was een aantal patenten, die hij in 1888 verkocht aan George Westinghouse, oprichter van Westinghouse Electric Company.
Westinghouse en Edisons bedrijven vochten een felle strijd uit om de lucratieve rechten om Amerikaanse steden te elektrificeren in een competitie die de naam “War of the Currents” kreeg. Edison startte een lobbycampagne waarin de gevaren van wisselstroom werden aangeprezen in een poging om de verspreiding van Tesla’s uitvinding te voorkomen. Om aan te tonen dat wisselstroom letterlijk dodelijk kon zijn, vonden Edison’s medewerkers een elektrische wisselstroomstoel uit, die door de staat New York werd gebruikt om veroordeelde gevangenen te executeren. Edison demonstreerde zelfs in het openbaar hoe hij zwerfdieren elektrocuteerde met wisselstroom, in een poging het publiek weg te krijgen van het concurrerende systeem.
De concurrentiestrijd kwam tot een hoogtepunt op de Wereldtentoonstelling van 1893 in Chicago, toen Tesla het contract in de wacht sleepte om het evenement van elektriciteit te voorzien. De beslissende slag kwam drie jaar later toen George Westinghouse de Niagara Falls gebruikte om een wisselstroomgenerator aan te drijven die in 1896 elektriciteit 26 mijl naar Buffalo bracht. Daarmee had wisselstroom zijn nut bewezen, en het zou de elektriciteitssector gaan domineren toen in de jaren en decennia daarna overal in de Verenigde Staten het licht aanging.
Wissel- en gelijkstroomopwekking vandaag
In recentere decennia is de technologie voor het opwekken en transporteren van hoogspanningsgelijkstroom, of HVDC, op de markt gekomen, en in sommige gevallen presteert deze efficiënter dan wisselstroom, maar wisselstroom is nog steeds de overweldigende overwinnaar in het elektriciteitsnet.
De meeste soorten elektriciteitscentrales zijn ontworpen op basis van dezelfde basisprincipes als Tesla’s wisselstroomgenerator, waarbij wisselstroom wordt opgewekt met behulp van een roterend magnetisch veld. Steenkool-, gas- en kerncentrales werken door water te verhitten en de stoom te gebruiken om de generator te laten draaien, terwijl waterkracht- en windcentrales de kracht van de natuur gebruiken om de turbines direct te laten draaien.
Zonnepanelen daarentegen produceren gelijkstroom. Als de elektriciteit op het elektriciteitsnet wordt aangesloten of wordt gebruikt voor de stroomvoorziening in huis, moet deze eerst door een omvormer in wisselstroom worden omgezet. Anders zijn de meest voorkomende bronnen van gelijkstroom batterijen. Gelijkstroom is ook veel gemakkelijker op te slaan, dus naarmate grootschalige batterijopslag toeneemt in combinatie met hernieuwbare energieopwekking, krijgt gelijkstroom weer een kans om een grotere rol te gaan spelen in het elektriciteitsnet.
Hoogspanningsleidingen vervoeren gewoonlijk wisselstroom van ongeveer 345.000 volt, terwijl lokale transmissielijnen ongeveer 13.800 volt zijn, wat nog steeds extreem gevaarlijk is voor iedereen die ermee in contact komt. Tegen de tijd dat het uw huis bereikt, wordt de spanning via transformatoren teruggebracht tot tussen 120 en 240 volt, zodat u uw elektrische apparaten en toestellen veilig van stroom kunt voorzien.
Wat de verschillende soorten stroom voor u betekenen
Zowel wissel- als gelijkstroom spelen een belangrijke rol in het gemiddelde huishouden. De apparaten in uw huis, zoals uw koelkast, wasmachine en vaatwasser gebruiken wisselstroom. In huizen die niet op aardgas lopen, werken de meeste ovens, heetwatertoestellen, ovens en drogers ook op wisselstroom.
Maar gelijkstroom heeft ook zijn toepassingen. Het wisselende deel van wisselstroom gebeurt snel – in de Verenigde Staten veranderen de elektronen 60 keer per seconde van richting, ook bekend als 60 Hertz. Maar ook al gebeurt de afwisseling zo snel, toch zijn er kleine stroomverliezen telkens als de stroom van richting verandert. Dit is geen probleem voor gloeilampen of andere apparaten die zijn gebouwd om wisselstroom te gebruiken, maar moderne, gevoelige elektronica gaat niet zo goed met zelfs onmetelijk korte onderbrekingen van de stroom.
Daarom gebruiken veel nieuwere apparaten, zoals opladers voor mobiele telefoons, computers en televisies gelijkstroom, met behulp van stroomadapters om de wisselstroom die uit de stopcontacten komt om te zetten. De markt voor gelijkstroom zal zich blijven uitbreiden in de vorm van elektrische auto’s, die op gelijkstroom uit hun accu’s rijden.
Daarom mag de Oorlog van de Stromen dan al meer dan 100 jaar geleden zijn afgelopen, de strijd tussen wissel- en gelijkstroom om ons dagelijks leven van stroom te voorzien duurt voort.
