Na de energiecrisis van 1973 ontstond er hernieuwde aandacht voor het gebruik van de wind als groene energiebron. Het grootschalig opwekken van elektriciteit uit wind in Noordwest-Europa zal zich voor een belangrijk deel gaan afspelen op de Noordzee. Kennis opgedaan in de luchtvaarttechniek maakte het mogelijk om veel efficiëntere machines te ontwikkelen dan de traditionele Hollandse molen. Moderne windturbines converteren windenergie zo’n acht keer beter. De fabricage van zeer grote windturbines op commerciële basis staat sinds enige jaren ook op de agenda, mede dankzij nieuwe materialen, nieuwe fabricage-technieken en een enorme ontwikkeling van de kennis van aërodynamische belastingen.
Aerpac is een voorbeeld van een Nederlands bedrijf dat deze kennis succesvol toepast. Het bedrijf is de Europese nummer twee van rotorbladfabrikanten. Het Belgische Windmaster heeft ooit veel windturbines verkocht in Europa en Amerika. Voor de ontwikkeling van grote turbines heeft het bedrijf een dochter in Nederland opgericht die inmiddels is overgenomen door een Nederlandse concurrent. De Belgische ontwikkelingslijn vond een plaats in een nieuw bedrijf: Turbowinds.
Het aandeel buitenlandse turbines op de Nederlandse markt is opgelopen tot meer dan 70%. Het grootste Nederlandse bedrijf is dit jaar uit de top tien van Europese turbinefabrikanten verdwenen en opgegaan in een Deens consortium. Een en ander heeft overigens niet betekend dat Nederland achter is gebleven op het gebied van de technologie-ontwikkeling – integendeel.
De wieken van een oudhollandse molen met molenroede, hekwerk en windbord.
Oudhollands
De wieken van een oudhollandse molen bestaan uit een centrale balk, de roede genaamd, met aan weerszijden daarvan een hekwerk. Oorspronkelijk hadden de molens in west Europa dwarsgetuigde wieken. Dat evolueerde in het begin van de 17e eeuw naar de wiekvorm die we nu nog kennen. De wiek is daarbij asymmetrisch ten opzichte van de molenroede. Een kwart van het hekwek bevindt zich aan één kant en is gevuld met windborden. Een zeil bedekt tijdens het malen driekwart van het hekwerk aan de andere zijde.
De definiteve vorm van de wiek kwam met een aanpassing van Jan Adriaansz. Leeghwater. De eerste molen die hij verbeterde was, volgens de overlevering, niet meer te stoppen en zette het gehele dorp De Rijp in brand.
Leeghwater had daarmee wel bereikt dat de windmolen evolueerde tot de stoere verschijning die tot in de 20e eeuw haar prominente plaats als krachtbron kon vervullen. Het windbord is bij die verbetering geplaatst onder een hoek ten opzichte van de hekstok. Door deze kleine modificatie ontstaat een aërodynamisch effectievere doorsnede waardoor de trekkracht (het koppel) van de wiek aanzienlijk toeneemt. Hoewel de gelijkenis met een ‘echt’ aërodynamisch profiel nog ver te zoeken is, lijkt de geknikte doorsnede er beter op dan de oorspronkelijke dwarsgetuigde wiek.
Steeds groter
Tegenwoordig zijn er windturbines te koop die net zo hoog zijn als een torenflat van twintig verdiepingen. De rotor heeft een diameter van meer dan vijftig meter. Continue inspanningen bij met name het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en de TU Delft over de afgelopen twintig jaar droegen hier toe bij.
Het einde van de groei is nog niet in zicht: windturbines met een diameter van 66 meter, groter dan de spanwijdte van een jumbojet, worden volop verkocht. En voor toekomstige locaties op zee zullen nog grotere windturbines moeten worden ontwikkeld. Deze windturbines, alle bedoeld voor de elektriciteitsvoorziening, zijn vrijwel zonder uitzondering van het propellertype. Dit in tegenstelling tot de Darrieus-rotor die enige gelijkenis vertoont met een rechtopstaande slagroomklopper. Moderne propellerwindmolens zetten windenergie met een hoog rendement om in elektriciteit en doen dat, letterlijk, op steeds grotere hoogte.
Steeds hoger
Afgezien van de trend naar een steeds grotere diameter neemt ook de hoogte van de windturbine toe. Een belangrijke reden hiervoor is dat het hoog in de lucht harder waait. De hoeveelheid energie in de wind is evenredig met de derde macht van de snelheid en een hogere mast is dus in veel gevallen lonend. Om die reden is het niet verwonderlijk dat er de laatste tijd stemmen opgaan om windturbines aan een kabel hoog op te laten. De energie die deze turbine opvangt kan oplopen tot het tienvoudige van wat beschikbaar is voor een gewone windturbine. Zo staat op dit moment een zweefturbine in de belangstelling, waarbij de propeller in een soort ringvormige zeppelin wordt geplaatst. Het geheel ziet er ongeveer uit als een moderne straalmotor.
De ringvorm kan de effectiviteit van de rotor een stuk vergroten. De mantel om de eigenlijke turbine zorgt ervoor dat de turbine een stuk effectiever wordt. Door een goed gekozen vorm van de mantel is het zelfs mogelijk om een omklede turbine driemaal zoveel lucht te laten verwerken dan een ‘kale’. Het resultaat is dan ook drie keer zoveel vermogen.
Soms klinkt de stelling dat de windsnelheidsvergroting in het nauwste deel van de ring met een factor drie tot een vermogensvergroting met een factor 27 (ofwel met een derde macht) zou leiden. Helaas gaat deze vlieger niet op. Dan zou de luchtsnelheid bij het verlaten van de mantel negatief worden en daarmee de verdere doorstroming belemmeren. Dat is uiteraard niet de bedoeling. Uit een stromings-analyse blijkt dat in de optimale situatie acht-negende deel van de kinetische energie aan de wind wordt onttrokken, net als bij een gewone turbine. Met de vergroting van de hoeveelheid lucht neemt ook het geleverde vermogen toe, en wel evenredig ermee.
Vlieger
Op het strand zet een vliegeraar zich schrap als zijn vlieger meegevoerd wordt met een stevige rukwind. De vlieger vangt zoveel wind dat hij een karretje mee zou kunnen voeren. Windenergie is dus ook door middel van vliegers op te vangen. Een idee in deze richting is de laddermolen, waarbij beweegbare vleugels verbonden zijn met een grote kabellus. Het lijkt op een combinatie van de parapente-vlieger en een gewone kabelbaan, waarbij het bergstation vrijelijk in de lucht zweeft. De parapente-vliegers, of vliegende vleugels, trekken de kabelbaan rond. De kabel drijft een generator in het grondstation aan.
Het is echter de vraag of zo’n ingewikkelde constructie stabiel blijft onder variërende weersomstandigheden. Waarschijnlijk moet ze veelvuldig worden ingehaald en weer opgelaten. Verder valt maar te bezien of het publiek dergelijke groteske mechanismen boven het landschap zal accepteren. Daarbij laten eerste schattingen zien dat de kosteneffectiviteit ook te wensen overlaat.
Optimale afremming
Vaak hoor je bij moderne windturbines de opmerking dat er meer energie uit te halen is door het aantal rotorbladen of ‘wieken’ te vergroten, of door de wieken sneller te laten ronddraaien. Er zou dan minder wind tussen de wieken door verloren gaan. Hoewel zo’n opmerking voor de hand ligt, heeft deze aanpassing niet het gewenste resultaat. Een windturbine kan namelijk niet alle energie uit de wind halen. Het gevolg zou zijn dat de lucht achter de turbine stagneert. Deze werkt dan als obstakel voor de aankomende wind. Als alle wind de molen ontwijkt kan er geen energie uit worden gehaald.
Sinds 1926 is bekend dat de optimale afremming overeenkomt met een reductie van de windsnelheid tot een derde deel. Er is dan acht-negende van de kinetische energie aan de wind onttrokken. Omdat de afremming al begint voor de windturbine is maar een deel van de hoeveelheid aanstromende lucht beschikbaar. De rest ontvlucht langs de buitenkant van de rotor. In de optimale situatie is dat eenderde van de totale hoeveelheid. De maximaal te onttrekken hoeveelheid energie is dan gelijk aan 2/3 × 8/9 = 16/27 van de energie in de aankomende wind.
Stel nu dat er aan een goed ontworpen windturbine een extra blad wordt toegevoegd. Dan ontstaat een vrijwel volledige blokkade van de wind, waardoor de hoeveelheid doorstromende lucht daalt tot nabij nul. Vrijwel alle lucht ontsnapt en de windturbine kan er vrijwel geen energie meer aan onttrekken. Dat is op te lossen door de windturbine langzamer te laten draaien, maar dan lijkt het rotorvlak weer even ‘leeg’ als tevoren. In de praktijk valt de keuze van de ontwerper op twee of drie rotorbladen. Bij gelijke wiekbreedte zal de driebladige turbine dus langzamer moeten draaien voor hetzelfde rendement.
Op zee
Een interessant resultaat van recent onderzoek is dat windturbines op zee toekunnen met lichtere rotorbladen dan die op het land bij dezelfde diameter. Weliswaar is de gemiddelde windsnelheid op zee hoger, een belangrijk voordeel voor zeelocaties, maar de veel geringere turbulentie levert lagere vermoeiingsbelastingen op. En juist deze belastingen bepalen het constructief ontwerp van de rotorbladen.
Bij toename van de diameter moet het toerental evenredig afnemen om de optimale aanstroming te behouden. Het gewicht neemt echter zeer sterk toe. De gewichtstoename is theoretisch evenredig met de derde macht van de diameter: lengte maal breedte maal wanddikte. In de praktijk blijkt deze verhouding evenwel minder extreem. De trend in de gewichtstoename is gelijk aan de macht 2,6. Anders construeren, namelijk door het toepassen van dikkere profielen, speciaal ontwikkeld voor windturbinebladen, maakte dit mogelijk. Het gebruik van epoxyharsen, betere glas- en soms ook koolstofvezels droeg hiertoe bij. Daarbij reduceerde de introductie van vacuüminjectiemethoden de benodigde hoeveelheid kunsthars, en daarmee het gewicht, aanzienlijk.
De optredende vermoeiingsbelastingen vormen overigens ook de belangrijkste beperking voor het realiseren van zeer grote diameters. Naarmate een rotorblad groter wordt neemt ook de belasting ten gevolge van het eigengewicht toe. Dat eigengewicht trekt immers twee maal per omwenteling aan het rotorblad: zowel tijdens de omhooggaande als tijdens de neergaande beweging en dat zo’n 20 tot 60 maal per minuut, gedurende 5000 uur per jaar over een periode van 20 jaar.
Hoe sneller, hoe beter?
Het vermogen van windturbines wordt benoemd op basis van het nominale vermogen van de geïnstalleerde generator. Dat betekent niet dat dit vermogen ook steeds wordt geleverd; dat hangt af van de aangeboden wind. Veelal draait de windturbine niet bij windsnelheden lager dan vier meter per seconde. Daarboven kan er stroom worden geproduceerd.
Omdat de energie in de wind evenredig is met de derde macht van de windsnelheid zal, in het ideale geval, het geleverde vermogen vanaf vier meter per seconde toenemen met deze derde macht. Het nominale (generator)vermogen wordt bereikt bij een windsnelheid rond de twaalf á dertien meter per seconde (windkracht 6).
Boven deze nominale windsnelheid moet de turbine worden aangepast om ervoor te zorgen dat de generator niet overbelast raakt. Soms gebeurt dat door de bladen te verstellen in een minder efficiënte stand. Vaak biedt het constant houden van het toerental van de turbine een mogelijkheid om de overbelasting te beperken. Ten opzichte van de toenemende wind neemt de efficiëntie van de rotor namelijk steeds af, als de rotatiesnelheid gelijk blijft. De wind stroomt onder een steeds schuinere hoek tegen de rotorbladen aan, waardoor stromingsloslating, ofwel overtrek, optreedt. Dit levert een weerstand op waardoor het onttrokken vermogen niet langer toeneemt. Dergelijke windturbines krijgen daarom ook wel de naam overtrekgeregelde- of stallturbines. Bij hele hoge windsnelheden wordt de windturbine veelal stilgezet om stormschade te voorkomen.
Windturbine
In de jaren tachtig probeerden enkele grote (vliegtuig)fabrikanten, hun ervaring te gebruiken voor de bouw van grote windturbines. In Nederland fabriceerde Fokker onder andere de beide rotorbladen voor de HAT25, een onderzoeksturbine van het toenmalige Reactor Centrum Nederland, thans ECN. Het gebruik van koolstofvezel en aramide leverde een lichte en stijve constructie op. Zo’n rotor is echter duur.
Om succesvol te zijn in de windturbinemarkt bleek een geheel andere ontwerpfilosofie nodig. Kosteneffectief ontwerpen met ‘bulk’-materialen en vooral ook de integratie van bestaande oplossingen uit de diverse disciplines levert meer op dan de combinatie van uiterste betrouwbaarheid en geavanceerde oplossingen in dure materialen.
De lokale markt in Nederland bood onvoldoende afzetmogelijkheden om bedrijven te motiveren over te gaan tot de ontwikkeling van windturbines. Dat in tegenstelling tot Denemarken, waar voor windstroom een vaste en goede prijs werd betaald en de ontwikkeling veel minder afhankelijk was van tijdelijke subsidie-regelingen. De Nederlandse industriële activiteit bleef daardoor beperkt tot de pioniersfirma’s en de bedrijven die, wegens malaise in hun eigen bedrijfstak, windenergie erbij gingen doen.
Opmerkelijk was dat in België een toeleveringsbedrijf voor de auto-industrie (HMZ) de uitdaging wel aanging. HZM-dochter Windmaster voorzag in de jaren tachtig diverse windparken in Nederland en de VS van windturbines. In België bleef de markt beperkt tot één project in 1986, een voor die tijd groot park op de havenhoofden van Zeebrugge. Buiten dit ene project, gerealiseed door het ministerie van Openbare Werken, zat het politieke klimaat in de jaren tachtig niet mee. Daar waar in Nederland nog gesproken kon worden van een weifelend implementatiebeleid om vooral de boot niet te missen, was er in België volstrekt geen voedingsbodem aanwezig voor de ontwikkeling van duurzame energiebronnen.
Ecobladen
In 1997 presenteerde Greenpeace haar actieplan voor 10.000 MW uit windcentrales op zee. Het gaat hierbij om grote tot zeer grote opwek-eenheden. De totale opbrengst, tussen 300 en 1000 MW, is via een zware elektriciteitskabel verbonden met het Europese koppelnet. De individuele windturbines in zo’n centrale zullen zo groot mogelijk moeten zijn.
De afmetingen van de turbines van zo’n Offshore Wind Energy Conversion System liggen nog niet vast. Op het land zijn al windturbines gebouwd met een diameter van meer dan honderd meter. Wel is duidelijk dat het ontwerp geheel aangepast moet zijn aan installatie en onderhoud op zee. De windturbines zullen clusters van zo’n honderd stuks vormen. Een belangrijk probleem bij landlocaties is de geluidsproductie. Het ontwerp voor moderne windturbines gaat uit van een zo laag mogelijk geluidsniveau. Uit economisch oogpunt zou echter een hoger toerental gewenst zijn, maar de sterk toenemende geluidsproductie, met de zesde macht van de snelheid, verhindert dit. Op zee is geluid geen probleem.
Van alle onderdelen van een moderne windturbine lenen de rotorbladen zich het minst voor hergebruik. Daarom wordt er gezocht naar materialen die de recycling van rotorbladen eenvoudiger maken. Dergelijke eco-bladen bestaan uit natuurlijke vezels, zoals hennep of vlas ter vervanging van glasvezel. Ook komt het gebruik van hout weer in zicht.
Bij windturbines uit jaren zeventig waren massieve houten rotorbladen gebruikelijk. Later is het proces met hout-epoxylaminaten ontwikkeld, maar dat zette nooit echt door. De belangrijkste reden was het arbeidsintensieve productieproces. Door relatief kleine kromtestralen moest er met vele dunne lagen worden gewerkt. Bij de nieuwste, zeer grote rotorbladen, met een lengte van meer dan dertig meter, lijkt hout-epoxy weer interessant te worden.
Het kleinschalig opwekken van windenergie in de stedelijke omgeving krijgt opnieuw aandacht, naast het steeds grootschaliger toepassen van grote turbines in grote windparken. Daarbij kan worden gedacht aan integratie van kleine windturbines in het ontwerp van gebouwen. Dit zal overigens in economische zin veelal minder rendabel zijn dan de grootschalige opwekking van windstroom.
Achterblijvers
De Europese windenergievereniging EWEA formuleerde in 1991 een doelstelling voor de lange termijn. Tussenstation in de strategie is een opgesteld vermogen van 4000 MW in het jaar 2000. Door voorspoedige groei is dit streefgetal reeds gerealiseerd en wordt er in 2000 zo’n 8000 MW verwacht. De realisatie van de lange termijndoelstelling, 100.000 MW, komt nu binnen bereik. EWEA stelt dat daaraan in het jaar 2020 kan worden voldaan. Welk aandeel in de elektriciteitsvoorziening hierbij hoort, hangt sterk af van het aangenomen scenario. Bij een matige groei dekt 100.000 MW windvermogen ongeveer tien procent van de elektriciteitsbehoefte.
In de afgelopen jaren is de jaarlijkse groei van het geïnstalleerd vermogen in een aantal ons omringende landen zo’n 30% geweest. De toename in België is sinds de bouw van het park in Zeebrugge te verwaarlozen. Ook Nederland bleef sterk achter. Planologische en juridische hindernissen hebben hiertoe bijgedragen, tezamen met een te gefragmenteerde ondersteuning vanuit de ministeries van Economische Zaken en Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieu.
Toch is de verwachting op de langere termijn dat er zo’n 1750 MW op het land kan worden geplaatst (nu circa 350 MW) en een even groot deel op de Noordzee. Eén van de uitgangspunten van het beleid van de Nederlandse regering is om in de toekomst de elektriciteit voor zo’n tien procent duurzaam op te wekken. Daarbij speelt windenergie een hoofdrol, als een van de meest rendabele duurzame energiebronnen.
Dit artikel verscheen eerder in Natuur & Techniek, 2001, jaargang 67, afl. 2