Windmolens en windturbines
Vroeger werd windenergie met windmolens direct omgezet in mechanische arbeid, bijvoorbeeld om graan te vermalen tot meel of om water te verpompen. Tegenwoordig wordt het woord windenergie vooral gebruikt voor de elektrische energie die met een windturbine uit de wind gewonnen wordt. Sommige producenten van windturbines spreken ook wel over windenergieconvertoren.
Geschiedenis
Opwekking van mechanische energie
Windenergie heeft via de zeilvaart een belangrijke bijdrage aan transport gegeven, maar zeilschepen worden tegenwoordig voornamelijk nog gebruikt voor de pleziervaart. De eerst beschreven windmolen was die van Heron van Alexandrië in de 1e eeuw. In zijn beschrijving maakte hij gebruik van een door wind aangedreven wiel om lucht door een orgel te blazen. Uit andere bronnen is te halen dat er in het 4e-eeuwse China en Tibet al een type gebedsmolen voorkwam dat door wind werd aangedreven.
Waarschijnlijk is het dat sinds de 12e eeuw het gebruik van de windmolen in West-Europa opgang maakte. De oudste nog bestaande molen van de Lage Landen dateert uit 1183 en werd gebouwd in het graafschap Vlaanderen te Wormhout. Belangrijke toepassingen van windmolens waren het malen van graan, het pompen van water en ook het zagen van hout. Het gebruik van windenergie heeft in Nederland een grote vlucht genomen met de inpoldering en de droogmakerijen in de 17e eeuw. Dankzij het werk van deze windmolens kreeg Nederland zijn huidige aanzien.
Met de uitvinding van de stoommachine in de 19e eeuw had men een krachtig en betrouwbaar hulpmiddel dat kon worden ingezet zonder afhankelijk te zijn van de wispelturigheid van de wind. Daardoor verdwenen windmolens langzamerhand uit het landschap. Alleen voor kleinschalige toepassingen bleef het gebruik van windenergie tot ver in de 20e eeuw gehandhaafd, uit Amerika kwam de windmotor en uit Piershil het Bosman-molentje. Deze laatste molenpomp, ook bekend als opbrengertje, was lang beeldbepalend in de Nederlandse polders.
Opwekking van elektriciteit
Met de ontwikkeling van de elektriciteit in de negentiende eeuw werden ook pogingen ondernomen om elektriciteit te winnen met behulp van windenergie. Door de hoge investeringskosten was elektriciteitsproductie door windenergie alleen op kleine schaal economisch in gebieden waar nog niet was geïnvesteerd in infrastructuur van elektriciteitstoelevering.
Ulrich Hütter bouwde, in 1957 in Duitsland, een 100 kW horizontaleaswindturbine met aerodynamisch gevormde glasfiber vleugels met hoekverstelling (zie Windturbine-aerodynamica), het oermodel van de moderne windturbine. De jaren 60 en 70 van de twintigste eeuw kenmerkten zich door veel kleine particuliere initiatieven.
Eenvoudige windmolens met generatoren van enkele kW tot enkele tientallen kW verrezen in polders op plaatsen waar behoefte was aan elektriciteit. Dankzij subsidiëring waren sommige experimenten zelfs rendabel. Pas na het doemscenario van de Club van Rome en de oliecrisis van 1973 begon het besef te groeien dat fossiele energie eindig is en dat te zijner tijd alternatieven zullen moeten worden gebruikt. De overheid stelde subsidies ter beschikking en er werd geëxperimenteerd met alternatieve bronnen van energie.
In Tvind, Denemarken, verrees in 1977 de eerste Europese megawatt windturbine.[5] Nieuwe verticaleaswindturbines als de Darrieus- en de Savoniusrotor werden onderzocht. Maar al snel werd ontdekt dat het niet makkelijk was om de gewonnen energie in het net te voeden.
Hoe werkt een windturbine?
Moderne windmolens, ook wel windturbines genoemd, wekken windenergie op doordat de wind de bladen laat draaien. Deze beweging wordt omgezet in elektriciteit. De meeste moderne windmolens hebben drie rotorbladen (de wieken). Het punt waar de bladen bij elkaar komen wordt de spindel genoemd.
De ashoogte van de windmolen en de diameter van de rotor (wieken) bepalen voor een groot deel de opbrengst. Hogere windmolens leveren meer elektriciteit. Naarmate de windmolens hoger worden, zijn er minder molens nodig om tot dezelfde productie te komen. Andere factoren die de opbrengst bepalen zijn het type turbine en de lokale windsnelheid. Er zijn ook windmolens in ontwikkeling zonder wieken en er bestaan windturbines die zijn uitgerust met een verticale as in plaats van een horizontale spil.
Hoeveel energie leveren windmolens?
De huidige generatie windmolens heeft een vermogen van minimaal twee MW. Een drie MW-windmolen produceert op land ruim 6,5 miljoen kWh per jaar. Dit is genoeg elektriciteit voor ruim tweeduizend huishoudens. Windmolens gaan draaien vanaf windkracht 2-3 en leveren vanaf windkracht zes het volle vermogen. In het eerste half jaar levert een turbine al evenveel energie op als de productie en bouw heeft gekost. Daarna levert de molen nog 15 tot 20 jaar lang schone energie.
Een enkele windmolen in het landschap levert iets meer energie op dan dezelfde turbine die in de windschaduw van andere windmolens staat. Toch heeft het voordelen om windturbines te groeperen. Zo blijft eventuele overlast beperkt tot een kleiner gebied. Bovendien is het zonde om slechts één turbine op een uitstekende windlocatie te plaatsen. Met een goed windparkontwerp blijven de verliezen per windmolen beperkt tot enkele procenten.
Hoeveel windmolens hebben we nodig?
Eind 2015 stonden er ruim 2.525 windmolens op land. Deze leveren samen 2.950 MW elektriciteit, zo’n 5 % van de totale Nederlandse elektriciteitsbehoefte. In 2020 willen we 6.000 MW elektriciteit uit windmolens op land halen. We moeten dus nog een vermogen van ruim 3.000 MW bijbouwen.
Als je uitgaat dat een gemiddelde windturbine een vermogen van 2 tot 3 MW heeft, dan zijn er grof gerekend nog tussen de 1000 en 1500 nieuwe molens nodig. Nieuwere turbines kunnen al meer dan het dubbele produceren. We wekken met 6000 MW in 2020 genoeg elektriciteit op voor 4,5 miljoen huishoudens, ofwel 60 % van alle Nederlandse huishoudens.
Windenergie is een van de snelste groeiers in de markt voor duurzame én conventionele elektriciteit. In dit overzicht de belangrijkste voor- en nadelen van windturbines en windparken.
5% elektriciteit wereldwijd is windstroom
Windenergie is geen ‘alternatieve’ energiebron meer. Samen met zonne-energie behoort windenergie tot de snelst groeiende stroombronnen. In 2015 investeerden energieontwikkelaars wereldwijd voor het eerst meer in nieuwe wind- en zonneparken dan in gas- en kolencentrales.
Dankzij de snelle groei heeft windenergie inmiddels een serieus marktaandeel. Honderdduizenden windturbines wereldwijd dekken nu ±5 procent van de mondiale elektriciteitsmarkt. De meeste daarvan staan op het vasteland maar offshore is een inhaalrace ingezet. Voor 2050 verwacht het Bloomberg New Energy Finance (BNEF) een windaandeel van ±25 procent in de wereldstroomvraag.
Windenergie is duurzamer dan fossiele energie en scoort ook in vergelijking met andere hernieuwbare bronnen uitstekend. Zowel qua kostprijs als qua klimaatwinst. Over de volle levensduur gemeten, stoot een windturbine per opgewekte kilowattuur (kWh) ±10 gram CO2 uit. Voor zonnepanelen zijn de emissies grofweg vier keer zo groot en een kolencentrale stoot per kWh liefst 70 tot 100 keer zoveel CO2 uit als een windmolen.
De basis : Hoe werkt windenergie?
Je voelt het nauwelijks maar ook lucht heeft massa. Vijf ‘volle’ badkuipen lucht wegen ongeveer een kilo. Onder invloed van temperatuur, luchtdruk en de rotatie van de aarde waait al die massa de wereld rond. Totdat de miljarden luchtdeeltjes botsen met de wieken van een windmolen.
Aan de hand van de windsnelheid (V), de luchtdichtheid (ρ), het oppervlak dat de molenwieken bestrijken (A) en de efficiëntie van de turbine (η) is te berekenen hoeveel elektriciteit een windmolen maximaal opwekt:
Vermogen_{wind}=\eta \frac{1}{2} \rho A V^3
De windparklocatie: Waar waait het (vaak) hard? ▲
Dat de windsnelheid voor windparken een bepalende factor is, voelt iedereen aan. Het effect van de windsnelheid is misschien nog groter dan verwacht. De botsenergie van luchtdeeltjes neemt kwadratisch toe met de snelheid én bij hardere wind botsen er per seconde ook meer deeltjes tegen de wieken. Een verdubbeling van de windsnelheid levert eenzelfde windmolen daarom 8x zoveel vermogen.
Gemiddeldes alleen zijn niet voldoende
Voor ontwikkelaars van windparken is het dan ook onvoldoende om alleen de gemiddelde windsnelheid over een heel jaar te weten. Een windpark waar twaalf maanden per jaar een licht briesje staat, levert grofweg 25 procent van de energie van een locatie waar het zes maanden dubbel zo hard waait maar de rest van het jaar windstil is. Windparkontwikkelaars zetten een heel arsenaal aan meetapparatuur en statistiek in om, tot op het kwartier nauwkeurig, in te schatten hoe vaak het hoe hard waait op beoogde windparklocaties.
Liever een windpark dan losse windmolens
Voor de vuist weg zijn de beste locaties voor windenergie zeeën, meren en andere open vlaktes. Daar zijn geen bomen, gebouwen of andere obstakels die de rondwaaiende lucht afremmen. Om dezelfde reden levert een windmolen die helemaal solo in het landschap staat meer energie dan dezelfde turbine die in de windschaduw van andere windmolens staat.
Toch heeft het grote voordelen om windturbines te groeperen. Zo is bijvoorbeeld de aansluiting op het stroomnet en het onderhoud goedkoper, en blijft eventuele overlast beperkt tot een kleiner gebied. Verder is het simpelweg zonde om slechts één turbine op een uitstekende windlocatie te plaatsen. Met een goed windparkontwerp blijven de verliezen per windmolen beperkt tot enkele procenten.
De Wet van Betz bepaalt dat een windmolen maximaal 59,3 procent van de energie in de wind kan oogsten. Om het effect van de windschaduw (de vertraagde luchtstroom direct achter de windturbine) te minimaliseren, staan turbines in een windpark zeker tien wieklengtes uit elkaar.
Met goed meten, stevig rekenen en met oog voor andere omgevingsfactoren is de keuze voor een windparklocatie optimaal te maken. Op het actuele weer heeft de ontwikkelaar dan nog geen invloed. Op de opbrengst als het eenmaal waait wel. De juiste turbine, op de juiste plek, geeft de grootste inkomsten.
Dubbel zo lange wieken leveren vier keer meer windenergie
Het oppervlak waarin een molen de wind oogst, is na de windsnelheid, de belangrijkste factor in de energieopbrengst van een windpark. Hoe groter dit oppervlak, hoe meer luchtdeeltjes er op de wieken botsen. Het oppervlak is bepaald door de cirkelbaan van de wieken. Verlengen van de wieken is dan ook lucratief.
Met 2x zo lange turbinebladen heeft een windmolen een 4x zo groot effectief oppervlak, en daarmee grofweg 4x zoveel energieopbrengst. Gangbare windmolens hebben al bladen van 50 tot over de 100 meter lang en materiaalonderzoekers zoeken continu naar kansen om de wieken lichter, stijver en langer te maken.
Naarmate windturbinebouwers kiezen voor langere wieken, groeit de masthoogte alleen al voor de veiligheid automatisch mee. Dat heeft als extra voordeel dat de hogere windturbines zo ook de krachtige wind op grote hoogte oogsten. Net zoals een vlak wateroppervlak weinig weerstand biedt aan de wind, is er boven de 150 meter ook nauwelijks nog een boom of gebouw dat de luchtstroom afremt. Hoog in de lucht is de wind sterker en stabieler. Daarom loont het, ook los van de rotordiameter, om windmolens zo hoog mogelijk te bouwen.
Airborne windturbines en windenergie in de stad
Met zeppelins, vliegers en andere high altitude windenergieconverters pogen verschillende start-ups de windenergie zelfs op hoogtes boven de 500 meter te oogsten. Door de windturbine te laten vliegen of zweven besparen deze partijen materiaal op de anders gigantische windturbinemast.
Tegelijkertijd zoeken andere windondernemers het juist dicht bij de grond, met windturbines voor in de bebouwde omgeving. Om flexibeler te zijn voor snel wisselende windrichtingen tussen gebouwen, draaien deze micro-windturbines vaak verticaal. Of ze draaien helemaal niet; het Ewicon-concept van de TU Delft heeft geen wieken maar werkt (in theorie) met elektrostatisch geladen waterdruppels.
Vanwege het minieme oppervlak en de geringe hoogte hebben alle kleine windmolens de schijn tegen. Alleen bij zeer lage materiaal- en installatiekosten is een rendabele businesscase haalbaar.
De ontwikkelingen in windtechniek gaan hard. GE Haliade-X is (op moment van schrijven, maart 2020) de krachtigste windmolen ter wereld. De offshore windturbine met een rotordiameter van liefst 220 meter levert maximaal 12 megawatt.
Het bekende windturbine-ontwerp met drie wieken biedt vooralsnog het optimum van energieproductie en bouwkosten.
