Een windmolen is een hoge, slanke toren met drie wieken die draaien in de wind. Toch?
Verschillende bedrijven dagen nu het klassieke beeld van de zeewindmolen uit – waaronder het Zweedse SeaTwirl, dat het technologische concept eenvoudigweg kantelt.
Waar een traditionele windmolen lijkt op de neus van een propellervliegtuig, is de ‘verticaleaswindturbine’ van SeaTwirl net een garde. Dat heeft grote voordelen, want terwijl de huidige zeewindmolens een stel flinke beperkingen hebben, is het potentieel van verticaleaswindturbines bijna oneindig en kunnen ze een cruciale rol spelen om Europa binnen de komende 30 jaar koolstofneutraal te maken.
Garde is Franse uitvinding
Het basisconcept van molens als die van SeaTwirl is niet nieuw. De technologie bouwt voort op de Savoniusmolen, die in de jaren 1920 is ontwikkeld door de Finse ingenieur Sigurd Johannes Savonius, en in het bijzonder op de [Darrieusmolen] van de Fransman Georges Jean Marie Darrieus, die er in 1931 patent op nam.
Hierbij zitten de wieken op stangen die uit de draaiende molentoren steken. De generator, die de beweging omzet in stroom, zit niet bovenaan de toren, zoals gebruikelijk, maar onderaan.
Verticaleaswindturbines komen lang niet zo veel voor als de klassieke horizontaleaswindturbines. In Californië bestaat 5 procent van de windturbines uit Darrieusturbines.
Darrieus beschreef zijn uitvinding als een ‘turbine met de draaiende as dwars op de flow van de stroom’.
Met die flow wordt hier bedoeld de wind die langs het zee- of landoppervlak beweegt en de draaiende as, en dus de wieken, in een hoek van 90 graden raakt – in tegenstelling tot de veel gebruikelijker horizontaleaswindturbines, waarbij de wind recht op de as en de wieken staat.
De Darrieus-turbines zijn her en der op aarde te vinden – in Californië is 5 procent van de turbines van dit type – maar de verticaleaswindturbine is lang niet zo populair als zijn horizontale neef.
Dat komt vooral door een verschijnsel dat efficiëntie heet, een maatstaf voor de hoeveelheid energie uit de wind die door de rotatie van de turbine wordt omgezet in elektrische energie. Het rendement van verticaleawindsturbines lag altijd op 40 procent maximaal, en rond de 50 procent voor horizontaleaswindturbines.
40 procent van de energie in wind zet een verticaleaswindturbine om in stroom.
Het verschil is deels te wijten aan het basale ontwerp van de windturbines. Bij een traditionele windturbine worden alle bladen voortdurend in gelijke mate door de wind beïnvloed, maar bij een verticaleaswindturbine schermt de turbinetoren het achterste blad deels af van de wind, wat de efficiëntie negatief beïnvloedt.
De grens van het rendement van een windturbine wordt in theorie bepaald door de Wet van Betz – genoemd naar de Duitse natuurkundige Albert Betz – die stelt dat een windturbine maximaal 59,3 procent van de kinetische energie van de wind kan opvangen.
En we zullen zoveel mogelijk energie uit de wind moeten wringen.
Windturbines blijven groeien
Europa moet in 2050 [klimaatneutraal] zijn. Windenergie speelt hierbij een cruciale rol, want wetenschappers schatten dat windturbines tegen die tijd zeker de helft van de groenestroomopwekking voor hun rekening zullen nemen.
Ambitieuze klimaatdoelstellingen – en de groeiende behoefte aan duurzame energie – geven zeewindmolens een fikse impuls. Zo kondigde het Deense bedrijf Vestas een 15 megawatt-zeewindmolen aan die al in 2024 de markt op kan: een 280 meter hoge reus met bladen langer dan een voetbalveld, die [20.000 huishoudens] van stroom kan voorzien.
Denemarken heeft ook plannen voor een testcentrum voor windturbines tot 450 meter hoog.
Op deze hoogten is de wind sterker en stabieler, wat de bladen van de joekels kunnen benutten. De stroomproductie van een windturbine neemt toe met de windsnelheid tot de derde macht, dus een verdubbeling van de windsnelheid levert acht keer zoveel stroom op. Hoge turbines met grote bladen vergroten ook het rotoroppervlak, zodat elke turbine meer wind kan opvangen en omzetten in stroom.
Het is dus voordelig om de turbines hoog te maken.
Nu de traditionele windturbines zich in een razend tempo ontwikkelen en steeds hoger worden, zal het je misschien verbazen waarom ze nu ineens op hun kop moeten komen te staan.
Maar volgens de start-up SeaTwirl in Zweden hebben verticaleaswindturbines grote voordelen, waardoor ze het kunnen opnemen tegen de reuzen van Vestas.
Testturbine bestand tegen orkaan
SeaTwirl installeerde in 2015 zijn eerste turbine, S1, in de golven voor Lysekil aan de Zweedse westkust. Hier staat hij nog steeds, draaiend in de wind. Met 13 meter boven zeeniveau is de turbine echter een onderdeurtje vergeleken met de grote offshore windturbines die er zijn.
SeaTwirl installeerde in 2015 een testversie van de verticaleaswindturbine bij Lysekil aan de Zweedse westkust. De turbine is 13 meter hoog.
Zijn capaciteit van 30 kilowatt is 500 keer zo gering als dat van de aanstaande reuzenwindmolen van Vestas. Maar het doel van de S1 was alleen om te testen of het concept ook echt werkte, en of de turbine betrouwbaar genoeg is om de elektriciteit te leveren ondanks hoge windsnelheden en de inwerking van zout.
In december 2015 kreeg de S1 bijvoorbeeld te maken met de krachten van de storm Helga, met windsnelheden tot 35 meter per seconde, maar de testmolen doorstond die [probleemloos].
In 2023 verwacht SeaTwirl de eerste turbine van de nieuwe generatie, de S2x, te installeren met een hoogte van 55 meter boven zeeniveau en een vermogen van 1 megawatt, wat ruim 30 keer zo veel is als dat van zijn voorganger.
Verticaleaswindturbine drijft in zee
Anders dan traditionele windmolens heeft de verticaleaswindturbine van SeaTwirl verticale bladen en een lager zwaartepunt, zodat hij op zee kan drijven.
1. Vleugels draaien om verticale as
De SeaTwirl heeft drie bladen, maar anders dan bij een traditionele windturbine draaien die om een verticale as. De bladen zitten met stangen aan de toren vast. In 2023 wordt de S2x met een vermogen van 1 MW en 40 m lange bladen geïnstalleerd.
2. Generator hangt vlak boven zee
De generator, die de rotatie van de wieken omzet in stroom, bevindt zich aan de voet van de toren. Daardoor is hij beter bereikbaar voor onderhoud en is de verticaleaswindturbine stabieler dan een traditionele windmolen.
3. Boei laat de windmolen drijven
De turbine zit vast aan een boei, die diep in het water gaat en met de toren meedraait. De opwaartse kracht van het water laat de constructie drijven en vermindert de belasting van het generatorhuis, dat niet het hele gewicht van de molen hoeft te dragen.
4. Constructie zit vast aan de zeebodem
De behuizing van de generator is het enige deel van de constructie dat niet draait. Om de turbine op zee in zijn exacte positie te houden, wordt hij verankerd met kabels vanaf het generatorhuis tot op de zeebodem.
Een model van wel 10 megawatt is nog ver weg, maar dat zou volgens het bedrijf een diameter hebben van circa 135 meter en een spanwijdte van liefst 110 meter – bijna die van de gigantische Vestas.
En daar blijft het niet bij. Theoretisch zouden de hooggeplaatste turbines een bladlengte tot 250 meter kunnen dragen en wel 30 megawatt kunnen leveren. Het geavanceerde ontwerp heeft daarmee enkele duidelijke voordelen die SeaTwirl wil benutten om een plekje te veroveren op de windenergiemarkt.
Verticale as biedt voordelen
Ten eerste is een verticaleaswindturbine altijd op de wind gericht, van welke kant die ook komt. Dit is niet zo bij traditionele windturbines, die zeg maar met de wind in de rug moeten staan voordat de bladen gaan draaien en elektriciteit opwekken.
Voor die beweging, kruien genoemd, moet de windturbine een ingebouwd kruiwerk hebben, waarbij een windvaan de windrichting detecteert en een motor de top van de molen met tandwielkast en bladen naar de wind draait. Traditionele turbines hebben daarom veel mechanica nodig om goed te kunnen werken.
Ook heeft de verticaleaswindturbine als voordeel dat hij niet op een sokkel op de zeebodem hoeft te staan.
In een traditionele windturbine zitten alle zware onderdelen, zoals de generator, de tandwielkast en het kruiwerk, in het machinehuis, de gondel genoemd. Omdat die zich hoog in de lucht bevindt, is er een stevig fundament nodig. Fabrikanten van windturbines spelen wel met het idee van drijvende funderingen, maar momenteel zijn windturbines beperkt tot ongeveer [50 meter] zeediepte. Als de zee dieper is dan dit, wordt de fundering voor de molen te duur om te bouwen.
Bij een verticaleaswindturbine zitten de zware onderdelen net boven de waterspiegel en ligt het zwaartepunt dus lager. Omdat de turbine in het water drijft en alleen met kabels aan de zeebodem verankerd hoeft te worden, kan hij zelfs kilometers diep in zee geïnstalleerd worden.
In veel landen met een diepe zee, waar zeewindmolens nooit een optie waren, kan de hoeveelheid windenergie ineens vergroot worden met offshore parken met verticaleaswindturbines.
Garde kan verre streken van energie voorzien
1. Parken komen in diep water
75 procent van de zee is dieper dan 200 meter, maar gewone zeewindmolens kunnen vanwege de fundering op maximaal 50 meter diepte staan. Omdat de verticaleaswindturbine drijft, heeft hij die beperking niet en kan hij overal geïnstalleerd worden.
2. Eilanden kunnen van de diesel af
Het is lastig om afgelegen eilanden te voorzien van stabiele elektriciteit vanaf het vasteland. Verticaleaswindturbines van slechts 1 MW kunnen de gebruikelijke dieselgeneratoren op eilanden, die fijnstof en CO2 uitstoten, vervangen.
3. Zalmkwekerijen vreten energie
Visteelt heeft energie voor pompen nodig, en een zalmkwekerij stoot gemiddeld 120 ton CO2 per jaar uit. Verticaleaswindturbines bieden een groene oplossing – vooral omdat er in de toekomst meer en grotere viskwekerijen [ver van de kust] zullen komen.
Daarbij zijn verticaleaswindturbines toegankelijker, doordat de belangrijkste machineonderdelen zich direct boven zee bevinden. Een studie van Sandia National Laboratories, dat kennis levert aan het Amerikaanse ministerie van Energie, ziet dit als een groot voordeel van de verticale as, want als traditionele turbines groter worden, komen de generator en andere machineonderdelen ook hoger te zitten.
Zo kunnen geavanceerde turbines als de SeaTwirl de wereldzeeën veroveren en onze vaste ideeën over hoe windmolens eruit moeten zien, veranderen.