Grotere, degelijkere en efficiëntere windmolens door onderzoek

Nederland krijgt er de komende jaren veel windmolens bij, zowel op land als op zee. Windmolens die in veel opzichten beter zijn dan hun voorgangers. Wat is er verbeterd en wat kan er nog beter aan deze draaiende kolossen? Kennislink neemt een kijkje in Nederland en in gidsland Denemarken.

27 augustus 2014

De Deense vlag wappert rustig in het licht glooiende landschap van de Risø-campus van de Technische Universiteit Denemarken (DTU). We zijn een klein uur rijden van de hoofdstad van het land en de herrie van Kopenhagen heeft plaatsgemaakt voor het kwekken van ganzen. De windmolens die hier staan hebben weinig aan het zwakke briesje van vandaag. Ze staan stil.

De campus heeft een transformatie achter de rug. In de jaren 50 werden hier onder leiding van onder andere de Deense natuurkundige Niels Bohr reactoren gebouwd voor het (vreedzame) onderzoek naar kernenergie. Reactoren die er nog steeds staan, maar al jaren buiten gebruik zijn. In de jaren 80 keerde Denemarken nucleaire energie de rug toe. Inmiddels is de campus in gebruik voor de volgende Deense specialisatie: windenergie.

De gebouwen op de Risø-campus van de Technische Universiteit Denemarken waren in eerste instantie bedoeld voor onderzoek naar nucleaire reactoren. De reactoren zijn inmiddels gesloten en in de omringende campus worden windmolens getest.
DTU

Geen ander land in de wereld maakt zoveel gebruik van de wind als Denemarken, in 2013 kwam ruim 33 procent van de totale stroomproductie uit windmolens. Ter vergelijking, in Nederland is dat 5 procent. Voor de duurzame energieproductie en onafhankelijk van energie leverende landen betaalt Denemarken wel een prijs, nergens in Europa is energie zo duur.

Al in de jaren 70 begon Denemarken met het aanleggen van de eerste windmolenparken. De windturbines waren relatief klein en hadden kinderziektes, vaak lagen ze stil en moesten bezoek krijgen van een monteur. Inmiddels kunnen windmolens tot wel 98 procent van de tijd draaien en krijgen ze nog maar eens per jaar een onderhoudsbeurt. Dat kan onder andere door het onderzoek dat hier in Risø wordt gedaan.

De Technische Universiteit Denemarken test windmolens. Terwijl op de achtergrond de testmolens draaien liggen de onderdelen klaar voor de volgende testinstallaties. — Terwijl op de achtergrond de testmolens draaien liggen de onderdelen klaar voor de volgende testinstallaties.
Roel van der Heijden

Luchtstromen laseren

Een van de onderzoeksvelden is de sterkte van het materiaal waar de rotors van windmolens van gemaakt worden: veelal composietmaterialen bestaande uit sterke kunststofvezels ingebed in een hars. Om te testen of een materiaal geschikt is om de gewenste 20 levensjaren van een windmolen mee te gaan, wordt er door machines tot wel 10 miljoen keer achter elkaar aan getrokken. Zo wordt slijtage in kaart gebracht.

Een van de Deense onderzoekers is Thomas Buhl en hij vertelt over een van de nieuwste snufjes die worden gebruikt om juist die slijtage bij windmolens te verminderen. “De spanning die op de rotors komt te staan kan enorm zijn, en dat kan problemen veroorzaken. Je moet bedenken dat de rotors tot wel 80 meter lang zijn en zo’n 35.000 kilo per stuk wegen. De krachten op het materiaal zijn soms vergelijkbaar met een gewicht van 1000 kilo dat je aan een stok van 7 kilometer probeert op te tillen.”

DTU ontwikkelt een scanner die met behulp van een laser de windstromen vóór de rotor in kaart brengt door de lucht plaatselijk te ioniseren. Met deze informatie kan de rotor zich ‘verdedigen’ tegen de wind. Komt er een (te) sterke windvlaag aan dan kan de hoek van de rotors snel aangepast worden zodat ze niet alle wind vangen. Buhl: “Op die manier verminder je die spanning en slijt de windmolen minder snel.”

Ook probeert men de efficiëntie van de molens te verbeteren door naar de aerodynamica te kijken. De vorm van de rotors is bepalend voor hun efficiëntie, en dus bedenkt men nieuwe ontwerpen. Zoals een windmolen met extra rotors op het breedste stuk van de rotor, waar de windsnelheid niet zo groot is. “De uiteindes van de rotors draaien met honderden kilometers per uur, daar is de efficiëntie het hoogst”, zegt Buhl. “Bij de basis van de rotor is dat een ander verhaal, windstromingen zijn langzamer en daarmee gaat de efficiëntie omlaag. Onze oplossing is het plaatsen van een extra rotor, die volgens ons de totale energieopbrengst met een procent moet kunnen ophogen.”

Verder ontwikkelt men computerprogramma’s waarmee ingenieurs kunnen zien hoeveel wind molens van elkaar ‘stelen’. De turbulente luchtstroom achter een windmolen is minder geschikt om energie mee op te wekken, dus de positionering van de windmolens is van belang. “Het is overigens niet alleen een kwestie van meer energie opwekken, ook turbulentie zorgt voor slijtage van rotors”, zegt Buhl.

Steeds groter

Naast het materiaal, de aerodynamica en de systemen die de wind monitoren is er een ontwikkeling die al jaren in het oog springt: de grootte van de windmolens. Die is fors toegenomen. Was een windmolen in de jaren 80 nog gemiddeld 30 meter hoog, tegenwoordig tikken de rotors op hun hoogste punt 200 meter aan, pakweg tweederde van de lengte van de Eiffeltoren. Waarom deze zucht naar steeds grotere turbines?

De afgelopen tientallen jaren zijn windmolens veel groter geworden. Sinds de jaren 80 is de hoogte ongeveer een factor tien toegenomen, het vermogen is ruwweg verhonderdvoudigd.
De Groene Energie Maatschappij

Ten eerste, hogere molens vangen meer wind. De wind worden doorgaans afgeremd vlakbij de grond, waardoor het op grotere hoogte harder waait. Hoge windmolens profiteren daarvan.

Maar Gijs van Kuik, hoogleraar en directeur van het Windenergie Instituut DUWIND van de TU Delft, noemt ook nog een ander voordeel. “Het transporteren, installeren en onderhouden van een grote turbine is goedkoper dan een groot aantal kleine turbines, met name op zee. Uiteindelijk produceren ze wel dezelfde hoeveelheid elektriciteit. Op die manier wordt de geproduceerde stroom goedkoper.”

Tot slot denkt hij verrassend genoeg dat er ook nog iets te zeggen is voor grote windmolens als minder horizonvervuilend. “De rotors van grote molens draaien langzamer, dat wordt door veel mensen die ik spreek als rustiger ervaren.”

Krachten verdelen en minimaliseren

Hoewel windmolens misschien nog wel groter worden zal er weinig meer veranderen in hoe ze eruit zien. “Ik denk dat het aerodynamische rendement niet zoveel meer omhoog kan, dat is bijna gemaximaliseerd”, zegt Van Kuik. “Maar het is belangrijk om de krachten op de rotors en de turbine zo laag en gelijkmatig mogelijk te houden, het onderzoek in onder andere onze windtunnels focust zich daarop.”

Minder grote krachten betekent dat er lichtere materialen gebruikt kunnen worden en dat heeft weer voordelen, onder andere voor de installatie. “Bij de gebruikte materialen verwacht ik nog veel verbeteringen, alsmede bij de ondersteuningsconstructies op zee”, zegt Van Kuik.

“Ook wordt er gekeken naar de logistiek van het plaatsen van de windturbines op zee, het onderhoud en de bedrijfszekerheid. Dat laatste is de tijd dat een windmolen klaar is om energie op te wekken. Overigens is die al heel erg verbeterd. In de eerste windmolenparken in Denemarken moest men om de haverklap onderhoud plegen. Tegenwoordig gaan windmolens veel langer mee, ze zijn 97 tot 98 procent van de tijd klaar voor gebruik.”

Het Lillgrund windmolenpark in de zee ten zuiden van Zweden dichtbij Malmö en het Deense Kopenhagen. — Op zee, zoals in dit windmolenpark tussen Zweden en Denemarken, krijgen windmolens maar een beperkt aantal servicebeurten.
Mariusz Paździora

Van Kuik wijst op het feit dat windmolens doorgaans weinig onderhoudsbeurten krijgen. Zeker op zee. Daar moeten ze het in de toekomst doen met slechts een bezoek per jaar. Gaat er ondertussen een onderdeel kapot? Dan kan er in vanaf het land worden ingegrepen.

“Je kunt op afstand ingrijpen, bijvoorbeeld door het toerental van de windmolen of de hoek van de rotor aanpassen. En als je een component niet helemaal vertrouwd dan kun je zelfs windvlagen ‘overslaan’. Dat kan doordat windmolens met elkaar kunnen communiceren en elkaar kunnen waarschuwen voor windstoten”, aldus Van Kuik.

Meer windenergie op komst

In 2013 telde Nederland ongeveer 2000 windmolens die ongeveer vijf procent van de elektriciteitsproductie voor hun rekening namen. En dat aantal moet groeien.

Energieakkoord

Een jaar geleden besloten het bedrijfsleven, milieubewegingen en vakbonden, onder leiding van de Sociaal Economische Raad, om het Nederlandse energielandschap drastisch te veranderen. Ze spraken het volgende af:

Het aandeel hernieuwbare energie moet in 2020 zijn gegroeid tot 14 procent
Het nationale energieverbruik moet met gemiddeld 1,5 procent per jaar omlaag
In 2016 en 2017 worden er in totaal 5 oude kolencentrales gesloten

De vraag is natuurlijk waarom Nederland achterloopt op landen als Duitsland en Denemarken, terwijl de omstandigheden gelijk lijken. Het antwoord daarop is lastig, zegt Van Kuik. “Vaak wordt gezegd dat we verwend zijn geraakt met onze grote aardgasvoorraad, de noodzaak om over te stappen op andere energiebronnen was simpelweg niet zo groot als in bijvoorbeeld Denemarken. En in Duitsland is er een veel groter ecologisch bewustzijn dan in Nederland. Die drive hebben wij niet zo gehad.”

Reageer