De heruitvinding van de kleine wind turbine

De her uitvinding van de kleine windturbine

De productie van commercieel verkrijgbare kleine windturbines kost vaak meer energie dan de machines tijdens hun levensduur kunnen opwekken. Door kleine windturbines (opnieuw) uit hout te bouwen, kan dit probleem worden aangepakt.

Dankzij hun esthetische aantrekkingskracht en de mogelijkheid tot lokale productie verhogen ze bovendien de acceptatie van windenergie. Tot slot vergemakkelijken innovatieve, houten torens de installatie van kleine windturbines.

Experimenten hebben uitgewezen dat commercieel verkrijgbare, kleine windturbines gedurende hun levensduur niet altijd voldoende elektriciteit opleveren om de energie te compenseren die nodig was voor de productie ervan. Daar zijn drie redenen voor. Ten eerste zijn er de wetten van de fysica. De energieopbrengst van een windturbine neemt sneller toe dan de hoogte en de rotordimater van de machine, wat betekent dat als een windturbine kleiner wordt, de energieopbrengst meer dan evenredig daaltTen tweede worden de wieken meestal gemaakt uit met glasvezel versterkt plastic, een materiaal waarvan de productie veel energie kost. Ten derde is het onderhoud van een kleine windturbine afhankelijk van de beschikbaarheid van reserve-onderdelen. In tegenstelling tot zonnepanelen hebben windturbines veel bewegende onderdelen en is de kans dus groter dat er reparaties nodig zijn. Helaas hebben de producenten van kleine windturbines vaak een nog kortere levensduur dan hun producten. [1]

Met de hand gesneden wieken

De wetten van de fysica kunnen we niet veranderen, maar de andere twee factoren kunnen wel worden aangepakt. Dat wordt al twintig jaar bewezen door de Schotse ingenieur Hugh Piggott, die kleine windturbines bouwt met massieve, houten wieken. De rotordiameter bedraagt 2 tot 4 meter en het maximale vermogen bedraagt 1 tot 2 kilowatt. [2]

Met de hand gemaakte windmolenwieken. Bron: [5]

De wieken kunnen machinaal worden geproduceerd, maar ze kunnen ook lokaal met de hand worden gesneden, gebruikmaken van eenvoudige gereedschappen en technieken. In beide gevallen kost de productie van de wieken veel minder energie dan de productie van wieken gemaakt uit met glasvezel versterkte plastic. Dat verhoogt de kans dat een windturbine over de volledige levensduur beschouwd netto energie produceert.

Daarbij komt dat het ontwerp van Piggott betrouwbaarheid belangrijker acht dan efficientie. Zo wordt de machine stilgelegd bij een windsnelheid van 8 meter per seconde (5 Beaufort), terwijl de meeste commerciële modellen ook bij hogere windsnelheiden blijven draaien. Maar hoe sneller de wieken draaien, hoe sneller de onderdelen van de windturbine zullen verslijten. [3]

Een studie die een vergelijking maakt van Piggott’s windturbines met een aantal commerciële modellen komt tot de conclusie dat de hogere energieopbrengst bij windsnelheden boven de 8 meter per seconde grotendeels verloren gaat, omdat veel van die extra energie wordt opgewekt op momenten dat de batterijen al vol zijn. De studie besluit ook dat het Schotse ontwerp ongeveer 20% goedkoper is, als zowel de kapitaalkosten als de operationele kosten in rekening worden gebracht. [3]

Foto: Windturbines in Nepal, naar het ontwerp van Hugh Piggott. Bron: [5]

Het open source ontwerp van Piggott heeft duizenden doe-het-zelf windturbines voortgebracht die over de hele wereld staan opgesteld. Het ontwep vormt ook de basis voor op windkracht gebaseerde initiatieven voor elektricificatie van het platteland in Mongolië, Nepal, Peru en Nicaragua. [4-7] In het globale Zuiden vormt de mogelijkheid om de energiecentrales zelf te bouwen en te onderrhouden een groot voordeel in vergelijking met commerciele windturbines of zonnepanelen.

Commerciele turbines met houten wieken

Het gebruik van massieve houten wieken – lange tijd standaard voor kleinere windmolens en windturbines – kent sinds kort een heropleving. Een eerste voorbeeld is het Nederlandse bedrijf EAZ Wind, dat in 2014 door vier jonge windsurfers werd gesticht. De firma, die nu al meer dan 40 werknemers heeft, verkoopt windturbines met massieve houten wieken aan boerderijen en energiecoöperaties in Groningen. Met een rotordiameter van 12 meter en een vermogen van 10 kilowatt zijn de turbines een stuk groter en krachtiger dan die van Hugh Piggott.

Een windturbine van EAZ Wind. 

De wieken worden gemaakt van massieve houten balken die aan elkaar worden gelijmd en dan worden geschuurd om de gewenste vorm te verkrijgen. Ze worden afgewerkt met een beschermlaag van epoxy om ze tegen vocht te beschermen. Volgens de fabrikant produceren de windturbines – die op 15 m hoge torens staan opgesteld – ongeveer 30.000 kilowattuur elektriciteit per jaar, wat overeenkomt met het elektriciteitsverbruik van tien Nederlandse huishoudens.

De windturbine kost 46.000 euro, wat ze goedkoper maakt dan een zonne-installatie (4.600 euro per huishouden, of minder dan de helft van de prijs voor een PV-installatie). De financiële terugverdientijd bedraagt 7 tot 10 jaar. Let wel: deze cijfers zijn van toepassing op Groningen, een winderige regio. Op minder optimale plekken zullen de energieopbrengst lager en de financiële terugverdientijd langer zijn.

Publieke acceptatie

Opmerkelijk is dat de keuze voor houten wieken niet zozeer is bedoeld om het energieverbruik tijdens de productie te verlagen. De missie van EAZ Wind is het ontwerpen van windturbines die door het publiek makkelijker worden aanvaard. Net zoals in veel andere landen is er in Nederland veel tegenkanting tegen de plaatsing van grote windturbines.

De installatie van een windturbine met houten wieken. EAZ Wind. 

Houten wieken helpen de acceptatie van windenergie op twee manieren. Enerzijds zien de molens er een stuk mooier en natuurlijker uit. Anderzijds kunnen ze lokaal worden geproduceerd, zodat de investering in een windturbine ook de lokale economie stimuleert. Het hout voor de wieken komt uit een nabijgelegen provincie en wordt bewerkt door bedrijven in de regio.

EAZ Wind wil het platteland – vooral boerderijen maar ook kleine gemeenschappen – zelfbedruipend maken op het vlak van energieproductie. De aanpak lijkt te werken, want het bedrijf verkocht al meer dan 400 windturbines. Wordt er een windturbine op een boerderij geplaatst, dan zijn de buren meestal de volgende klanten.

Houten torens

De windturbines van EAZ Wind hebben houten wieken, maar stalen torens. Het Zweedse bedrijf InnoVentum heeft een andere aanpak: hun windturbines hebben plastic wieken, maar houten torens. De 12 tot 20 meter hoge torens zijn gebouwd volgens een uniek ontwerp. Ze worden samengesteld uit kleinere modules die op de grond op een paar uur tijd in elkaar kunnen worden geschroefd.

Foto: Een houten toren voor een windturbine. InnoVentum.

Omdat ze over meerdere poten beschikken, vereisen de torens geen of veel minder beton voor de fundering. Ook dat bespaart geld en energie. Bovendien kunnen ze zonder een kraan worden rechtgezet – in plaats daarvan kunnen een touw en een lier worden gebruikt. InnoVentum installeerde ongeveer vijftien van deze torens sinds 2012. Net zoals EAZ Wind wil het bedrijf vooral mooiere windturbines bouwen om de acceptatie van windenergie te verhogen.

Foto: De installatie van de toren, met behulp van een lier. InnoVentum.

Natuurlijk kunnen beide benaderingen worden gecombineerd, resulterend in kleine windturbines waarvan zowel de wieken, de torens als andere structurele elementen uit hout worden gebouwd. Daarmee gaat het energieverbruik tijdens de productie verder omlaag. Bovendien kan zo’n windturbine CO2 opslaan die door de bomen uit de atmosfeer werd gehaald.

Combinatie van wind en zon

De nieuwste producten van zowel EAZ Wind als InnoVentum integreren wind- en zonne-energie. Omdat de windturbine en de zonnepanelen gebruik kunnen maken van dezelfde structuur, hetzelfde elektrische systeem, en dezelfde energieopslag, bespaart deze aanpak zowel geld als energie en andere grondstoffen. De combinatie van wind en zon verhoogt ook de kans dat er voldoende energieopbrengst is op eender welk moment, zodat er minder nood is aan energieopslag – de minst duurzame component van een autonome energie-installatie.

Zonnepanelen en een windturbine gebruiken dezelfde toren. Foto's: InnoVentum.

In het hybride zon-wind model van EAZ Wind is de capaciteit van de windturbine dubbel zo groot als de capaciteit van de zonne-insatllatie, aangezien de installatie bedoeld is voor een winderig maar niet zo zonnig klimaat. De toevoeging van zonnepanelen doet de jaarlijkse energieopbrengst stijgen naar 45,000 kwh (in Groningen), wat overeenkomt met het verbruik van veertien Nederlandse huishoudens. Langs de andere kant verhoogt de toevoeging van zonnepanelen de ingebedde energie van de installatie, zodat de energetische en financiële terugverdientijd langer wordt.

Gedecentraliseerde energieproductie

Kleine windturbines bieden bijkomende voordelen die eigen zijn aan alle vormen van gedecentraliseerde energiebproductie. Het feit dat ze worden betaald door dezelfde mensen die er de vruchten van plukken, verhoogt hun publieke acceptatie. Kleinschalige windturbines elimineren ook de nood aan transmissielijnen.

Hoe meer elektriciteit er ter plekke worden opgewekt en geconsumeerd, hoe kleiner de uitdaging wordt om windkracht in het centrale elektriciteitsnetwerk te integreren. Tot slot stimuleert de connectie tussen de vraag en het aanbod van energie een levensstijl die minder energie-intensief is.

Kris De Decker - Lowtech magazine - Lowtech Magazine wordt gefinancierd door reclame en donaties van lezers. Beide zijn essentiëel om de blog gratis toegankelijk te houden. We springen niet mee op de trein van betalende sites in Vlaanderen en Nederland. Information wants to be free.