white space

Windenergie

1 Wat is windenergie?

Er worden al heel lang windmolens gebouwd. De eerste windmolen dateert uit de 7e eeuw uit Perzië (nu Afghanistan). Later werd het idee van de windmolen door de Chinezen overgenomen, zij pompten er water mee naar de rijstvelden.


Figuur 1: Windmolen uit de 7e eeuw

In 944 werd er voor het eerst over de windmolen geschreven, deze windmolens hadden een verticale as. De eerste informatie over de Chinese windmolen komt uit het jaar 1219.
Vanaf 1300 verschenen de eerste windmolens in Europa en in 1390 kwamen de windmolens naar Nederland. Rond het jaar 1600 werden de windmolens in Nederland gebruikt om meel te maken, hout te zagen en water te pompen.
De Amerikanen begonnen tussen 1850 en 1970 met het bouwen van windmolens met stalen bladen om water op te pompen.
In 1888 werd in Portmill in Ohio, de eerste windmolen voor het opwekken van spanning gebouwd. De eerste Europese torenwindmolen om elektriciteit op te wekken werd in 1891 door Dane Poul la Cour ontwikkeld.
De wind bevat veel energie. Die energie komt van de zon. De zon verwarmt de aarde ongelijkmatig, daardoor ontstaan er drukverschillen die wind veroorzaken. Het waait natuurlijk niet overal even hard. Op open zee waait het harder dan in de stad en in de stad is de wind onregelmatig en op zee continue.
Omdat Nederland aan zee ligt en een open landschap heeft, is het windklimaat hier dus gunstig.

2 Soorten windmolens

Er zijn verschillende soorten windmolens zoals: de Turbine, de Mod 2, de Savonius, de Darrieus en de Growian.

Turbine

De turbine is de windmolen met 3 wieken zoals hieronder staat. In Nederland staan veel turbines. In dit verslag word als er over windmolens gesproken wordt, over de turbine gesproken.

zie groot formaat foto T600-48 (385 kByte)
Figuur 2: Turbine

Mod 2

Dit is een turbine van 100 m hoog, waar er in de Verenigde Staten 3 van gebouwd zijn.

Savonius

Dit is een mast met twee halve olievaten. Deze windmolen wordt veel in ontwikkelingslanden gebruikt om water mee de pompen.

Darrieus

De Darrieus turbine kan van alle kanten wind vangen omdat de rotor om de verticaal geplaatste as heen beweegt. Bij harde wind buigen de bladen verder naar buiten, hierdoor gaat hij langzamer draaien en past zich aan de windsnelheid aan. Er is voor de Darieus turbine geen hoge toren nodig.

Growian

De Growian is een 150 meter hoge turbine met twee wieken. Deze turbine is staat in Duitsland. Opbrengsten van de verschillende windmolens
Niet alle in de wind aanwezige energie kan worden omgezet. Wiskundig kan worden aangetoond dat het maximum rendement 59% is Dit wordt ook wel de Betz limiet genoemd.
In normale omstandigheden bedraagt het maximale molen rendement ongeveer 44%. In windmolen termen spreken we ook van vermogenscoëfficiënt of Cp waarde. Het as-vermogen moet nog vermenigvuldigd worden met het mechanisch rendement (97%) en het generator rendement (97%) om het netto vermogen te bekomen. 


Figuur 3: Vermogen windmolens

Vermogenscoëfficient van verschillende windmolentypes. De horizontale as is de verhouding van de omtreksnelheid van de tip t.o.v. de windsnelheid. Deze factor wordt ook snellopendheid genoemd

3 Hoe werken windmolens

Een windmolen bestaat uit de volgende onderdelen: de rotor, de gondel met de hoofdas, de tandwielkast de generator en het kruissysteem, het controlesysteem en de toren. Deze onderdelen zullen we nu nader toelichten.


Figuur 4: Onderdelen van een windmolen

De rotor

De windmolen van tegenwoordig bestaat uit een rotor met twee of drie wieken. Deze wieken worden gemaakt van polyester en versterkt met glasvezel, koolstofvezels of een hout-epoxy combinatie. Er zijn bladen verkrijgbaar van 1m voor kleine windmolens tot 30 m voor grote windmolens.

De gondel

De gondel is eigenlijk de machinekamer van de turbine. De gondel is draaibaar gemonteerd op een stalen toren. Het draaien is voor het in de goede windrichting plaatsen van de rotor. Dit gebeurt volledig automatisch.
In de machinekamer zitten alle belangrijke onderdelen van de turbine zoals de hoofdas, de tandwielkast, de generator, de remmen en het kruisysteem.

De hoofdas

De rotornerf is bevestigd aan de hoofdas, die via de lagers alle krachten die inwerken op de rotor overbrengt op de structuur. Deze hoofdas brengt het koppel over naar de tandwielkast. Bij turbines die een kleiner vermogen dan 400 kW leveren, maakt de hoofdas soms deel uit van de tandwielkast.

Hoofdas
Figuur 5: Hoofdas

De tandwielkast

De tandwielkast zorgt er voor dat het toerental van de rotor op het gewenste toerental wordt gebracht.
Een windmolen van 1000 kW met een rotordiameter van 52 m draait ongeveer 20 omwentelingen/min, de generator vraagt 1500 omwentelingen/min, het toerental moet dus 1500/20=75 x omhoog.
Tegenwoordig zijn er ook fabrikanten die een lage toeren generator gebruiken, die windmolens hebben dus geen tandwielkast nodig.

De generator

Een windmolen levert stroom aan het openbare net, hiervoor wordt gebruik gemaakt van een asynchrone generator. Als er gesproken wordt over een windmolen van 600 kW, dan is dit het nominale vermogen. Het nominale vermogen komt overeen met een bepaalde windsnelheid die meestal tussen de 13 en 14 m/s ligt.
Er zijn ook turbines met een dubbel toerental generator. Deze turbines maken minder geluid en hebben een hoger rendement bij lage windsnelheden.

De rem

Windmolens zijn altijd uitgevoerd met een rem. Deze rem kan in noodsituaties gebruikt worden, of wanneer de turbine toe is aan een onderhoudsbeurt.

Het kruisysteem

Het kruien van de windmolen gebeurt volledig automatisch door middel van een hydraulische of elektrische motor met een klein tandwiel met een grote tandkrans om de gondel in de goede windrichting te plaatsen.

Het controlesysteem

Een windmolen wordt volledig automatisch bestuurd door een intern computersysteem. De beheerder van de windmolen kan via een modemverbinding informatie opvragen.

De toren

Vroeger werden windmolens op vakwerktorens gemonteerd. Vlakwerktorens zijn zoals hieronder te zien is te vergelijken met hoogspanningsmasten, deze zijn niet zo mooi als de slanke buistorens. Daarom worden de vlakwerktorens niet vaak meer gebruikt.


Figuur 6: vlakwerktoren

Om optimaal van de wind gebruik te kunnen maken worden de torens in het binnenland tot 80 m hoog gemaakt.
Hieronder staat een grafiek van de windsnelheden op bepaalde hoogtes bij een polderlandschap en in het binnenland.

Windsnelheidsvariatie over de hoogte
Figuur 7: windsnelheidsvariatie over de hoogte

4 Voor en nadelen

Sommige mensen vragen zich af of windmolens wel meer stroom leveren dan er nodig is voor de bouw en installatie van de molen. Dit wordt echter binnen 3 tot 5 maanden terugverdiend.
Gedurende de levensduur van de windmolen, die ongeveer 20 jaar is, wordt ongeveer 80 maal zoveel energie geproduceerd als nodig is om de turbine te bouwen, te installeren en te onderhouden. 
Tegenstanders van windenergie beweren vaak dat windenergie veel duurder is dan gewone energie uit gas, kolen of kernenergie. In Denemarken is hier onderzoek naar gedaan. Daaruit blijkt dat windstroom op goede windlocaties al een paar jaar goedkoper is dan de gewone stroom. In Nederland is de kostprijs van windenergie ongeveer hetzelfde als die van gewone energie. Voor de toekomst wordt verwacht dat de kostprijs nog verder zal dalen.
Nu nog enkele voordelen van windenergie:

  • De fossiele brandstoffen raken op en bij de verbranding hiervan komen schadelijke stoffen, zoals CO2 vrij. Windenergie is een schone energiebron.
  • Wind is een van de weinige eigen energiebronnen en is onuitputbaar. Na de oliecrisis heeft windenergie in Europa en de Verenigde Staten een enorme impuls gekregen. Het toekomstige beleid zal er ook op gericht zijn te zorgen voor veel verschillende energiebronnen.
  • Windenergie kan heel snel opgewekt worden. Een windpark kan al in een paar maanden tot een half jaar in bedrijf worden gesteld.
  • Windenergie kan op veel verschillende plaatsen worden opgewekt. Hierdoor kunnen transformatieverliezen en transportverliezen beperkt worden.

Nadelen van windenergie zijn dat de windmolens vaak niet in het landschap passen, en soms voor geluidsoverlast zorgen. Het probleem van de geluidsoverlast wordt echter minder omdat windmolens steeds stiller worden.

5 Windenergie in Nederland

Hoeveel windturbines hebben we nodig?

Als we in Nederland aan 10% van de nationale stroombehoefte willen voldoen (100 miljard KWh) en als dat alleen opgewekt wordt met de grootste turbines die er op dit moment beschikbaar zijn, die een vermogen hebben van 2-2.5 MW, en deze allemaal langs de kust plaatsen, dan zijn er 1666 nodig.
Op dit moment staan er al 1335, deze zijn alleen kleiner en staan verspreidt over het land. In de toekomst zullen er turbines komen met een vermogen van 5 MW en een rotordiameter van 100-120 meter. Deze turbines zullen vooral op zee geplaatst worden. Gezien de grote ruimte op de Noordzee kan de productie van windenergie in de toekomst opgevoerd worden tot 50 % van de totale energie behoefte in Nederland.

Hoeveel ruimte zijn windturbines nodig?

Één windturbine heeft alleen ruimte nodig ten grootte van de funderingsplaat. Bij een turbine van 1.5 MW is dat 150 m2. De ruimte tussen de windmolens kan gewoon als weiland gebruikt worden.
Een windpark met tien turbines van 1.5 MW heeft dus 1500 m2 nodig, tellen we daar nog een toegangsweg van 3 meter breed bij op dan zijn we dus voor een windpark 6000 m2 nodig. Staat dit windpark op een windrijke plaats, dan levert dit park 50 miljoen kWh per jaar, dit is 8300 kWh per m2. Ter vergelijking met zonnecellen: die produceren ongeveer 100 kWh per m2 per jaar. Maar als alle dakpannen in Nederland vervangen worden door zonnecellen, dan wordt er voldoende energie geproduceerd voor de totale Nederlandse behoefte.

Toekomstig windenergie beleid

In de toekomst zullen er in Nederland vooral windparken op zee gebouwd worden, hoewel de techniek voor het bouwen van windparken op zee nog niet helemaal ontwikkeld is.
De overheid stimuleert het bouwen op zee, hiervoor is al een locatie bij Egmond aan Zee aangewezen waar de komende jaren windmolens gebouwd moeten gaan worden.
Wanneer de windparken op zee inderdaad een succes worden dan zal in de toekomst 20 % tot 30 % van de energiebehoefte op deze manier worden opgewekt.
Door de ecotaks wordt het aantrekkelijker gemaakt om groene energie te gaan gebruiken.

Bronnen: Informatiecentrum Duurzame-energie / Nuon / Kennermerwind / KRONIEK Windenergievereniging / Dieneke Tiekstra (Hobbyist) / stro9.vub.ac.be / stichting Energie anders / Deltawind
Welkom op Engineering-online.nl
hier ben je nu: Duurzame Energie / Windenergie