43.000 vierkante meter! Of de oppervlakte van zes voetbalvelden van internationale allure.
Zo groot is het rotoroppervlak van de 115,5 m lange wieken van de nieuwe reuzenwindturbine van het Deense bedrijf Vestas.
De 280 meter hoge turbine draagt de ietwat saaie en technische naam V236-15.0 MW, maar het laatste deel, 15 MW, is heel interessant. Het is het vermogen van de turbine: 15 megawatt.
Windturbines in de 15 MW-klasse zijn de uitkomst van tientallen jaren ontwikkeling, waarbij het vermogen elke zeven jaar ongeveer verdubbelt. Een van de nieuwe kolossen kan daardoor wel 20.000 van onze steeds meer energie vretende huishoudens voorzien.
De windturbines zullen ver van het land worden geclusterd en groene energie delen met de hele planeet.
Aarde heeft energie nodig
Nog maar een paar jaar geleden was het vermogen van ’s werelds grootste windturbine 10 MW, maar nu gaat Vestas zijn grote broer testen. Met zijn 15 MW vermogen is de V236-15.0 MW momenteel een van de grootste windturbines op aarde.
Molens rijzen de pan uit
De eerste windturbines voor het opwekken van elektriciteit dateren uit de 19e eeuw. Met Vestas’ nieuwe model zijn de turbines in circa 200 jaar gegroeid van 20 meter tot ruim 250 meter.
Windturbines van dit kaliber zijn van cruciaal belang om de opwarming van de aarde af te remmen. Want de groene transitie gaat heel veel energie kosten.
Laten we Denemarken als voorbeeld nemen. Het land verbruikt circa 35 terawattuur (TWh) aan stroom, ofwel 35 triljoen watt in één uur. Dat komt overeen met zo’n 570 miljoen gloeilampen van 7 watt die het hele jaar door branden.
Uit prognoses blijkt dat het energieverbruik al in 2030 zal zijn verdubbeld tot circa 70 TWh als Denemarken zijn doelstelling om de CO2-uitstoot met 70 procent te verminderen, wil halen.
En elektriciteit zal van doorslaggevend belang zijn.
Terwijl elektriciteit in huishoudens momenteel wordt gebruikt voor verlichting, witgoed, airconditioning, tv en gameconsoles, zullen we er steeds vaker onze huizen mee verwarmen en elektrische auto’s mee aandrijven.
Verder is er stroom nodig voor nieuwe datacentra, elektrische treinen en chemische reacties om groene brandstoffen te produceren – zoals waterstof, kerosine of ammoniak voor vliegtuigen en schepen.
De onderzoekers noemen dit principe Power-to-X, en alleen al in Denemarken zal er in 2030 voor de productie van groene brandstoffen 10 TWh elektriciteit nodig zijn.
20.000 huishoudens zal de gigantische zeewindmolen van stroom kunnen voorzien.
Gelukkig is er energie te over.
De aarde wordt voortdurend bestookt met 173.000 triljoen watt zonne-energie, waarvan ruim 2 procent wordt omgezet in kinetische energie in de vorm van wind. De wind bevat dus circa 3500 triljoen watt, die windturbines kunnen aftappen en omzetten in elektriciteit.
In 2009 berekenden drie onderzoekers, twee Amerikanen en een Fin, dat alle windturbines op aarde samen zo’n 840.000 TWh per jaar kunnen opwekken.
Ter vergelijking: het totale stroomverbruik op aarde bedraagt momenteel circa 25.000 TWh, en hoewel dat cijfer de komende decennia flink zal stijgen, zal de energie nog steeds aan de vraag kunnen voldoen.
De nieuwe windturbine wordt in 2022 getest en in 2024 in bedrijf genomen, en als het aan Vestas ligt, zal hier het grootste deel van de elektriciteit voor de groene transitie vandaan komen.
Reuzenturbines zijn de oplossing
Er zijn goede redenen om windturbines steeds hoger te bouwen. Je zou denken dat een stel kleinere turbines even goed is als één grote, maar zo zit het niet – vooral niet op volle zee.
Ten eerste komen grote turbines hoger in de atmosfeer, waar de wind sneller, vrijer en gelijkmatiger waait dan op grondniveau.
Uit een rapport van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory, NREL, blijkt dat de gemiddelde windslag 0,5 tot 1,0 m/s toeneemt wanneer je van 80 meter naar 110 meter boven de zeespiegel gaat, en met nog eens 0,5 m/s wanneer de hoogte van 80 meter naar 160 meter wordt gebracht.
Ten tweede zijn de vleugels van reuzenturbines breder, waardoor ze een zwakkere wind kunnen vangen en bij lagere windsnelheden kunnen werken.
En omdat de reuzenturbine alleen al door zijn omvang steviger is dan zijn voorgangers, kan hij ook veel hardere wind verdragen.
De 115,5 meter lange bladen beginnen al te draaien bij slechts 3 m/s, en pas bij 30 m/s bereiken ze de zogeheten cut-out wind speed, waarbij ze moeten stoppen. Dat ligt dicht bij de orkaansnelheid, die begint bij 32,6 m/s.
Ter vergelijking: de huidige topturbine van Vestas, de V164-10.0 MW, heeft een cut-out speed van ‘slechts’ 25 m/s.
Een derde voordeel is dat grote turbines langere bladen hebben, waardoor ze de wind uit een groter gebied kunnen vangen. Door de lengte van de wieken te verdubbelen, bestrijkt de turbine een vier keer zo groot oppervlak, waardoor hij veel meer elektriciteit kan opwekken.
Vestas’ V117-4.2 MW, met een rotordiameter van 117 meter, heeft een maximaal vermogen van 4,2 MW, terwijl de nieuwe V236-15,0 MW, met een twee keer zo grote rotordiameter, ruim drie keer zoveel vermogen heeft.
De verbetering is zowel te danken aan de grotere rotor- en turbinehoogte als aan de hogere cut-out speed.
Omvang daagt ingenieurs uit
Hoewel het dus duidelijk voordelen biedt om offshore windturbines zo groot mogelijk te bouwen, zijn er ook uitdagingen. Het is immers niet alleen een kwestie van alsmaar groter bouwen.
Wanneer de hoogte van een windturbine verdubbelt en het rotoroppervlak verviervoudigt, neemt het gewicht van de turbine fors toe doordat de verdubbeling plaatsvindt in hoogte, breedte en lengte.
De turbine wordt dus tot acht keer zo zwaar, en er is acht keer zo veel bouwmateriaal voor nodig.
Hoewel het gewicht uiteindelijk bepaalt hoe groot zeewindmolens kunnen worden, komen de Chinezen met een windturbine van 16 MW, de MySE 16.0-242, die Vestas’ nieuwe reus overtreft.
Windturbines zuigen zich vast in de zeebodem
De reuzenturbines staan als een huis. Een van de nieuwste hulpmiddelen om windturbines vast te zetten zijn zuigankers, waarbij een vacuüm de turbine enkele meters in de zeebodem zuigt en er geen gegoten fundering nodig is.
1. Molen wordt zachtjes neergelaten
De basis van de molen bestaat uit een of meer holle zuigankers die naar de zeebodem afdalen. Door lucht uit de ankers te laten, wordt het drijfvermogen en dus het gewicht van de toren ten opzichte van het omringende water aangepast.
2. Gewicht doet een deel van het werk
Wanneer de turbinetoren op de zeebodem staat, wordt de lucht uit de ankers gelaten, waardoor de hele constructie aan drijfvermogen verliest en zakt. Het gewicht van de toren duwt het zuiganker het eerste stukje de modder in.
3. Onderdruk zuigt molen vast
Water, zand en modder worden uit het zuiganker gepompt, waardoor een vacuüm ontstaat. Doordat er ook water langs het zuiganker wordt gezogen, ontstaat er drijfzand. Samen met het vacuüm zorgt dit ervoor dat de toren diep in de modder vast komt te zitten.
De Chinese recordmolen ligt nog op de tekentafel, maar moet in 2024 operationeel zijn.
In het algemeen beginnen de windturbinefabrikanten in de wereld steeds grotere turbines te bouwen. Zo willen Siemens Gamesa en General Electric rond 2024 twee turbines van 14 MW plaatsen.
Er zijn ook grote plannen voor offshore windturbines, die niet zullen worden opgesteld in windmolenparken aan de kust met stroomkabels die rechtstreeks naar het land lopen – ze worden in clusters ver op zee geplaatst.
Turbines gaan naar eiland
Denemarken is het eerste land dat plannen heeft voor zogeheten energie-eilanden. De eerste twee komen in de Oostzee en de Noordzee en moeten rond 2030 operationeel zijn.
In april 2022 stelde de Deense regering voor om nu al meer eilanden in de Noordzee te plannen. Het idee is dat de kabels die de stroom vervoeren, worden gebundeld op de energie-eilanden, waar de energie ook wordt opgeslagen.
Het eerste energie-eiland in de Noordzee komt 80 kilometer uit de kust en wordt uitgebreid tot een capaciteit van 10.000 MW. Dat is genoeg om bijna heel Denemarken in zijn stroombehoefte te voorzien en komt overeen met het maximale vermogen van 670 van de nieuwe kolossen van Vesta.
Clusters van reuzenturbines leveren stroom aan ’s werelds eerste energie-eilanden. Hier wordt de stroom opgeslagen tijdens piekproductie en dan naar de rest van de wereld gedistribueerd.
Maar de energie-eilanden leveren niet alleen aan Deense koffiemachines en elektrische fietsen.
Denemarken wil netto-exporteur van groene energie worden, waardoor ook Nederland, Duitsland, België en mogelijke andere landen als Groot-Brittannië, Noorwegen, Zweden, Polen en de Baltische staten ervan gaan profiteren.
De distributie pakt een van de grootste problemen van groene energie aan, want wat doen we als de zon niet schijnt, het niet waait of er geen regen valt in de rivieren van de waterkrachtcentrales?
Om de schommelingen in de stroomproductie en ons verbruik over de dag uit te smeren, zullen verschillende tijdzones in de toekomst stroom met elkaar uitwisselen.
De gigantische windturbine zal het klimaat 38.000 ton CO2 per jaar besparen – het equivalent van 25.000 auto’s van de weg halen.
Elke ochtend is er een grote vraag naar stroom als we opstaan en tegelijk het licht en het koffiezetapparaat aanzetten.
Door de stroom te verdelen over de tijdzones kan de ochtendpiek over de hele wereld worden gladgestreken – zelfs op grijze, windstille dagen.
Molenwieken worden groen
Hoewel windturbines een cruciale rol zullen spelen in de groene transitie, zijn ze zelf niet uitgesproken groen.
Dat blijkt uit een belangrijke studie die in februari 2021 werd uitgevoerd door ingenieur Leon Mishnaevsky van de Deense Technische Universiteit.
Bij windturbines die 20-25 jaar geleden zijn geïnstalleerd en nu worden ontmanteld, zijn de materialen bijna niet te recyclen.
Vooral de bladen zijn lastig – en de Europese belangengroep WindEurope voorspelt dat het in 2025 om 25.000 ton zal gaan.
Volgens Mishnaevsky wordt bij de verwerking van een molenblad van 6,5 ton tot bestratingsmateriaal circa 200 ton CO2 uitgestoten, terwijl dat maar 1 ton CO2 is als hij op de vuilnisbelt wordt gegooid.
Daarom zou het beter zijn de wieken op te lappen en opnieuw als molenwieken te gebruiken, want dat kost slechts zo’n 3 ton CO2 per wiek van 6,5 ton.
Fabrikanten van windturbines hebben zich echter over de kwestie gebogen, en in september 2021 presenteerde Siemens ’s werelds eerste volledig recyclebare windturbineblad voor zeewindmolens.
In 2021 lanceerde Siemens een 100 procent recycleerbaar zeewindmolenblad. Dankzij een nieuw type oplosmiddel kunnen de onderdelen van het blad worden gescheiden.
Windturbinebladen kunnen materialen bevatten als plastic, glas- en koolstofvezel, pvc, schuim en zelfs balsahout. De onderdelen worden veelal aan elkaar gelijmd met een zeer duurzame harsachtige substantie.
Maar nu heeft Siemens een nieuw, oplosbaar bindmiddel gemaakt waarmee de materialen van de vleugels volledig kunnen worden gescheiden en verwerkt tot bijvoorbeeld flatscreens en koffers.
Nog drastischer is de aanpak van een klein Amerikaans bedrijf Global Fiberglass Solutions: het biedt aan om gebruikte glasvezelwieken samen te persen tot platen om onder meer muren te bekleden.
De eerste commerciële versie van Vestas’ nieuwe reus zal pas in 2024 worden gebouwd, dus je zult waarschijnlijk nog een paar decennia moeten wachten voordat de wieken van ’s werelds grootste windturbine je huiskamer sieren.