Sinds een aantal jaar heeft de hoogspanningsmast gezelschap gekregen van de windmolen. Op Nederlandse bodem staan inmiddels zo’n 2000 stuks en in zee zijn twee windmolenparken gerealiseerd. Een derde park staat op de agenda, maar de inwoners van Urk zijn fel tegen de komst van 93 molens in de Noordoostpolder. Hun voornaamste bezwaar is dat het plaatsen van de windmolens te zeer ten koste gaat van het dorpsgezicht.

Dit uitzicht zou er met de komst van de windmolens heel anders uit komen te zien.

Flickr: Jaap Kramer

Wie ooit een Nederlandse windmolen van dichtbij heeft gezien, kan zich wellicht wel vinden in het Urkse argument; de molens zijn wel erg groot en een rij van zulke constructies voor je huis ziet niemand zitten. Maar ja, we moeten toch wát doen om aan schone en duurzame energie te komen. Een mogelijk alternatief komt uit Amerika: ook een windmolen, maar dan anders.

Horizontaal of verticaal

In Nederland kennen we eigenlijk maar één type windmolen. Die heet de ‘horizontale-as-windmolen’ (Horizontal Axis Wind Turbine – HAWT); de rotorbladen draaien om een horizontaal gerichte as. Er bestaat echter ook een ander type windturbine, de ‘verticale-as-windmolen’ (Vertical Axis Wind Turbine – VAWT). In dit geval draaien de rotorbladen, zoals de naam al impliceert, om een verticaal gerichte as. Dat kan op verschillende manieren, maar de twee bekendste varianten zijn de Savonius-molen en de Giromill/Darrieus-molen.

Op het moment wordt vooral gebruik gemaakt van HAWTs. Dit type molens heeft namelijk een hoge opbrengst: een moderne turbine met een maximum vermogen van 3 MW (megawatt = 1 miljoen Watt) levert per jaar 6.000.000 tot 7.500.000 kWh elektriciteit. Dat is genoeg voor zeker 1800 huishoudens.

De opbrengst hangt echter wel af van de locatie en van de manier van plaatsing. De HAWTs mogen bijvoorbeeld niet te dicht op elkaar staan, want dan vangen ze elkaars wind af en dat kan de opbrengst met 40% verminderen. Om dit te voorkomen, moeten HAWTs minstens 5 ‘rotorblad-lengtes’ uit elkaar staan, wat neerkomt op ongeveer 175 meter (rotorbladen zijn gemiddeld 35 meter lang).

De Windspire windturbine

Flickr: William Thomas

Windturbines van het andere type, de VAWTs, kunnen wel dicht op elkaar geplaatst worden omdat ze elkaar niet uit de wind kunnen houden, zoals bij HAWTs. Het nadeel is echter dat de energieopbrengst veel lager is. De Windspire (zie afbeelding hiernaast) levert gemiddeld per jaar bijvoorbeeld 2000 kWh op, zo’n 3000 keer minder dan een HAWT!

Afkijken van vissen

Hoewel de energieopbrengst per VAWT weliswaar duidelijk minder is, kan een heel VAWT-park toch heel nuttig zijn omdat er per oppervlakte meer molens geplaatst kunnen worden. Daarnaast is uit eerder onderzoek gebleken dat de manier van plaatsen de opbrengst juist positief kan beïnvloeden. Een groep onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech, VS) heeft nu naar een specifieke opstelling gekeken: een opstelling afgeleid van de manier waarop vissen in een school zwemmen.

Het klinkt misschien als een rare benadering, maar een vis heeft veel voordeel van het zwemmen in een school. In een groep kunnen vissen 2 tot 6 keer verder komen dan wanneer ze alleen zouden zwemmen. Men denkt dat dit komt door de wervels (ook wel kielzog) die ontstaan door het bewegen van de staartvin (zie animatie hieronder). Door in een bepaalde opstelling te zwemmen, zouden vissen de wervels kunnen gebruiken om zich tegen ‘af te zetten’.

Cesareo de La Rosa Siqueira

Het team uit California heeft onderzocht of zo’n ‘visschoolopstelling’ ook werkt voor VAWT-parken. Ze hebben hierbij gebruik gemaakt van computersimulaties en een test-park waarin de VAWTs in een speciale opstelling stonden.

Links zie je hoe vissen in een school bij elkaar zwemmen. Ze houden een bepaalde onderlinge afstand aan, zodat ze een gunstige positie hebben ten opzichte van de wervels die ontstaan. Het park met VAWTs heeft een vergelijkbare opstelling; elke stip in een wervel is een windmolen (de pijlen geven de windrichting aan).

Whittlesey et al. – 2010

Resultaat in kleur

Met het computermodel en echte metingen, hebben de onderzoekers vervolgens berekend wat de opbrengst zou zijn bij verschillende opstellingen. Ze varieerden hierbij de onderlinge afstanden a en b. Voor de opbrengst keken ze naar een zogenaamde power coëfficiënt. Die laat zien of een bepaalde opstelling voordeel biedt: is de coëfficiënt hoger dan 1, dan levert de VAWT in de gegeven opstelling méér op dan wanneer hij in z’n eentje zou staan. Is de coëfficiënt lager dan één, dan heeft de opstelling geen toegevoegde waarde en kan de VAWT beter apart staan. De onderzoekers berekenden de coëfficiënt zowel per individuele VAWT als voor het park als geheel. De afbeeldingen hieronder geven de resultaten.

Elke opstelling van de VAWT kun je zien als punt in het vlak; het is namelijk een combinatie van een bepaalde onderlinge afstand a (y-as) en afstand b (x-as). De gestippelde lijn geeft aan welke a en b een school vissen altijd heeft. Een VAWT-park in de ‘visschoolopstelling’ heeft dus ook deze waarden voor a en b. Per punt (dus per opstelling) laat de kleur zien hoe hoog de energieopbrengst is: hoe roder, hoe beter. Afbeelding A toont de opbrengst per windmolen en afbeelding B de opbrengst van het hele veld van VAWTS. De power coëfficiënt is daar op zo’n manier omgerekend dat de beste opstelling waarde 1 heeft en alle andere een lagere waarde hebben.

Whittlesey et al. – 2010

Uit afbeelding A volgt dat de ‘visschoolopstelling’ (alle punten in de gestippelde lijn) een lage energieopbrengst per VAWT geeft (blauw tot lichtoranje). Alleen een opstelling waarbij twee tegengesteld draaiende molens steeds dicht op elkaar staan (grote a, kleine b), levert per molen meer op dan normaal (donker rode kleur).

Als je naar de opbrengst van het park als geheel kijkt (afbeelding B), zie je dat ook hier de ‘visschoolopstelling’ geen verbetering oplevert (groen tot lichtblauw). Wel zie je dat de beste opstellingen (donker rode punten) niet hetzelfde zijn als in afbeelding A. Dat wil zeggen dat de VAWTs in een bepaalde opstelling per stuk misschien niet optimaal presteren, maar dat het park in totaal meer oplevert. Voor een effectief park is de opstelling dus wel belangrijk.

Dat laat ook de onderstaande grafiek zien. De onderzoekers vergelijken hier de energieopbrengst van (fictieve) VAWT-parken met de ‘visschoolopstelling’, met die van HAWT-parken die nu al in werking zijn. Hieruit blijkt dat de verticale-as-windmolens wel degelijk met de ‘gewone’ windturbines kunnen concurreren. Dat komt omdat de ‘visschoolopstelling’ er voor zorgt dat de ruimte heel efficiënt gebruikt wordt. En hoe meer windmolens, hoe meer energie.

Whittlesey et al. – 2010

Ten slotte hebben de VAWTs nog een voordeel. Door de vormgeving en grootte zijn ze zeer geschikt voor plaatsing binnen de bebouwde kom. Ze kunnen bijvoorbeeld heel gemakkelijk in een gebouw verwerkt worden, zodat het gebouw zichzelf van energie kan voorzien. Dat heeft onder andere Adobe gedaan bij hun nieuwe hoofdkantoor. En daar vond men de windturbines niet lelijk. Sterker nog, ze werden voor kunst aangezien:

“The other day I was standing here, and one of the employees was saying, ’Don’t you think we’ve overdone it with the art?’ " said Randy Knox, Adobe’s senior director of global workplace solutions. “I told him it’s not just art.”

Lees meer over windmolens op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/windmolen/windmolens/windturbine/index.atom?m=of", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}