Hoe elektrische energie meten: Een uitgebreide gids

Wat is elektrische energie?

Elektrische energie is gedefinieerd als het product van elektrisch vermogen en tijd, en wordt gemeten in joules (J). Eén joule elektrische energie is gelijk aan één watt vermogen dat gedurende één seconde wordt verbruikt. Wiskundig kunnen we schrijven:

E=P×t

waarbij,

• E is de elektrische energie in joules (J)

• P is het elektrische vermogen in watt (W)

• t is de tijd in seconden (s)

Elektrische energie en vermogen zijn nauw verwante concepten. Elektrisch vermogen is de hoeveelheid elektrische stroom die door een circuit stroomt door een bepaalde spanningverschil over het circuit. Elektrisch vermogen is ook het tempo waarmee elektrische energie wordt geleverd of verbruikt door een apparaat of systeem. Elektrisch vermogen wordt gemeten in watt (W), wat equivalent is aan joules per seconde (J/s). Wiskundig kunnen we schrijven:

P=V×I

waarbij,

• P is het elektrische vermogen in watt (W)

• V is het spanningsverschil in volt (V)

• I is de elektrische stroom in ampère (A)

Om elektrische energie te meten, moeten we zowel het elektrische vermogen als de tijdsduur kennen waarvoor het wordt toegepast of verbruikt. Bijvoorbeeld, als een 100 W lamp 10 minuten aan staat, dan is de elektrische energie die erdoor wordt verbruikt:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

Eenheden van elektrische energie

Joule is de standaard eenheid van energie in het Internationaal Stelsel van Eenheden (SI), maar het is te klein voor praktische doeleinden bij het omgaan met grote hoeveelheden elektrische energie. Daarom worden andere eenheden vaak gebruikt voor het meten van elektrische energie, zoals wattuur (Wh), kilowattuur (kWh), megawattuur (MWh) en gigawattuur (GWh). Deze eenheden zijn afgeleid van het vermenigvuldigen van de eenheid van vermogen (watt) met de eenheid van tijd (uur).

• Wattuur (Wh) is de hoeveelheid elektrische energie die wordt verbruikt door een apparaat of systeem dat één watt vermogen trekt gedurende één uur. Het toont hoe snel het vermogen wordt verbruikt over een periode. Eén wattuur is equivalent aan 3.600 joules. Bijvoorbeeld, een 15 W LED-lamp verbruikt 15 Wh elektrische energie in één uur.

• Kilowattuur (kWh) is een grotere eenheid van elektrische energie die vaak wordt gebruikt voor huishoudelijke apparaten en energierekeningen. Eén kilowattuur is gelijk aan 1.000 watturen of 3,6 megajoules. Bijvoorbeeld, een koelkast die 300 W vermogen trekt, verbruikt 300 Wh of 0,3 kWh elektrische energie in één uur.

• Megawattuur (MWh) is een eenheid van elektrische energie die typisch wordt gebruikt voor het meten van de uitvoer of consumptie van grote energiecentrales of netwerken. Eén megawattuur is gelijk aan 1.000 kilowatturen of 3,6 gigajoules. Bijvoorbeeld, een kolenkrachtcentrale met een capaciteit van 600 MW produceert 600 MWh elektrische energie in één uur.

• Gigawattuur (GWh) is een eenheid van elektrische energie die wordt gebruikt voor het meten van zeer grote hoeveelheden elektriciteitsproductie of -consumptie over lange periodes. Eén gigawattuur is gelijk aan 1.000 megawatturen of 3,6 terajoules. Bijvoorbeeld, het totale elektriciteitsverbruik van de Verenigde Staten in 2019 was ongeveer 3.800 TWh of 3,8 miljoen GWh.

De volgende tabel geeft de eenheden van elektrische energie en hun conversies weer:

Hoe elektrische energie te meten met een meter

Om elektrische energie te meten, hebben we een apparaat nodig dat het elektrische vermogen en de tijdsduur kan vastleggen waarvoor het wordt toegepast of verbruikt. Zo'n apparaat heet een elektrische energiemeter of simpelweg een energiemeter. Een energiemeter is een apparaat dat de hoeveelheid elektrische energie meet die wordt verbruikt door een woning, een bedrijf, of een elektrisch aangedreven apparaat. Het meet het totale vermogen dat over een tijdsinterval wordt verbruikt en is gekalibreerd in factuur-eenheden, waarvan de meest voorkomende de kilowattuur (kWh) is. Energiemeters worden gebruikt in huishoudelijke en industriële wisselstroomcircuits voor het meten van energieverbruik.

Er zijn verschillende soorten energiemeters, afhankelijk van de technologie, ontwerp en toepassing. Enkele van de meest voorkomende types zijn:

• Elektromechanische meters: Dit zijn de traditionele meters die gebruik maken van een draaiend metalen schijf en een elektromagneet om het elektrische vermogen te meten en op een reeks wijzers of een mechanische teller vast te leggen. Ze staan ook bekend als induktiemeters of Ferraris meters. Ze zijn eenvoudig, robuust en accuraat, maar hebben enkele nadelen, zoals mechanische slijtage en verval, gevoeligheid voor knoeien en magnetische interferentie, en de onmogelijkheid om reactief vermogen of kwaliteit van het vermogen te meten.

• Elektronische meters: Dit zijn de moderne meters die gebruik maken van elektronische circuits en sensoren om het elektrische vermogen te meten en dit op een digitale scherm te tonen of naar een extern systeem te verzenden. Ze staan ook bekend als vaste-staatsmeters of digitale meters. Ze hebben veel voordelen ten opzichte van elektromechanische meters, zoals hogere nauwkeurigheid, minder onderhoud, externe lezing en communicatie, meerdere tariefopties, en geavanceerde functies zoals vraagrespons, belastingprofielen en kwaliteitsanalyse van het vermogen.

• Slimme meters: Dit zijn geavanceerde meters die gebruik maken van digitale technologie en draadloze communicatie om het elektrische vermogen te meten en dit naar een centraal systeem of een slimme gridnetwerk te verzenden. Ze staan ook bekend als geavanceerde meetinfrastructuur (AMI) of intelligente meetsystemen (IMS). Ze hebben veel voordelen ten opzichte van elektronische meters, zoals real-time gegevensverzameling en -analyse, dynamische prijs- en facturering, storingdetectie en -herstel, vraagzijdebeheer, en klantbetrokkenheid.

Het basisprincipe van het meten van elektrische energie met een meter is