Zweefmolen

Magnetische gelagerde, asloze waterturbines zijn onderhoudsarm. Software en elektronica vervangen de tandwielkast en de in- en uitstroomkanalen.

Stroom-opwekking uit waterkracht is doorgaans een kwestie van een heroïsche stuwdam die een verval van tientallen meters creeërt, zodat gigantische turbines hun ettelijke megawatts kunnen produceren. Maar de potentiële energie van veel omlaag stromend water is op die manier niet economisch te benutten, omdat het verval te gering is.

Volgens de makers gaat de HydroRing dit veranderen: dit wordt een rotor van ruim een meter doorsnede in een vaste ring die al bij een waterverval van twee meter rendabel is en zonder hulpcontructies in een dam of zelfs los in een rivier gezet kan worden. Het apparaat heeft behalve de interne rotor (`de impeller') geen bewegende delen, geen vaste as en geen tandwielkast. Het Wassenaarse bedrijf HydroRing BV werkt aan een prototype van dit onorthodoxe ontwerp waterturbine. Directeur Jan Versluis: ``Het enige wat straks boven water komt, zijn vier stroomdraadjes.''

Bij een waterstroomsnelheid van 3,5 meter per seconde en twee meter verval moet de HydroRing zo'n 35 kiloWatt gaan leveren. Het ontwerp mikt op twintig jaar lang vrijwel zonder onderhoud of menselijk ingrijpen continu stroom leveren. Versluis: ``We hebben niet geprobeerd er zoveel mogelijk kilowatts uit te halen, maar de kilowattuurprijs zo laag mogelijk te houden. Als je meer vermogen wilt, leg je er gewoon nog eentje naast.''

Top-krediet

Versluis verwacht voor deze vorm van waterkracht een grote markt bij kleinschalige energie-opwekking en in ontwikkelingslanden. Maar ook uit Noorwegen komt belangstelling, vanwege de vele waterstroompjes aldaar die te klein zijn voor grote waterkrachtcentrales.

Mede dankzij een gunstige haalbaarheids-studie door het Energieonderzoek Centrum Nederland kreeg het bedrijf een TOP-krediet van ruim 500.000 euro van het ministerie van Economische Zaken om het idee verder te ontwikkelen.

Magnetische lagering speelt een sleutelrol in het HydroRing-concept. Die wordt al geruime tijd met succes toegepast in precisie-instrumenten en pompen, maar deze toepassing onder water is nieuw. Geestelijke vaders van de HydroRing zijn Gerrit Oudakker en dr. Willem van Kampen, die drie octrooien op de techniek verkregen. Sinds de laatste onlangs plotseling overleed, wordt de ontwikkeling van de regelelektronica voortgezet door zijn zoon Berend van Kampen.

Mechanische lagering vereist dat alle bewegende delen tot op fracties van een millimeter nauwkeurig in elkaar passen. Magnetische lagering laat een speling van enige millimeters toe, waardoor productie en montage van de bewegende onderdelen eenvoudiger en goedkoper kunnen. Bovendien rekent men op minder slijtage en minder storingsgevoeligheid.

Om een magnetisch lager te maken moet wel het `theorema van Earnshaw' omzeild worden. Dat zegt dat geen enkele vaste configuratie van permanente magneten een andere permanente magneet stabiel zwevend kan houden. Dat komt in wezen omdat elke magneet twee polen heeft, die tegengesteld reageren op elk uitwendig magnetisch veld. Er bestaan wel speelgoed-tolletjes die een tijdje blijven zweven boven een sluw vormgegeven magnetische sokkel, maar zodra door wrijving met de lucht de rotatie-snelheid afneemt, klapt het tolletje om en stort het zich naar beneden.

Magnetische levitatie is dus alleen haalbaar door elektro-magneten te gebruiken en die continu bij te regelen. De impeller van de Hydroring wordt aan de buitenrand gevat in twee ringvormige lagers, die de axiale (parallel aan de waterstroom) en de radiale (loodrecht op de waterstroom) bewegingen in bedwang houden. Sensoren meten de exacte positie van de impeller en geven die door aan een regeleenheid die de benodigde stroom door elke elektromagneet uitrekent en bijregelt. Dat gebeurt met een reactietijd van microseconden om iedere trilling van de impeller in de kiem te smoren, waardoor het energieverbruik van de magneten geminimaliseerd wordt.

Zelf-leviterend

De HydroRing wekt uiteraard zelf de stroom voor de lager-magneten op, waarbij Van Kampen er van uit gaat dat dat minder dan 10 procent van het totale vermogen zal vergen. Misschien is zelfs een zelf-startende HydroRing haalbaar. Er is namelijk sowieso een mechanische back-up lagering nodig waar de impeller op terug valt als er iets mis gaat. Als de HydroRing in het water gelegd wordt, hoeft de impeller daar maar een paar seconden op te kunnen draaien om het `zelf-leviterende' mechanisme op gang te krijgen.

Een derde ring rond de impeller vormt de generator. De stroom wordt dus niet zoals gewoonlijk opgewekt door de rotatie van de turbine-as met een tandwielkast te versnellen, maar direct aan de snelbewegende rand van de impeller. Een elektronische vermogensomzetter maakt van de opgewekte stroom die varieert met de waterstroomsnelheid de standaard drie-fasen wisselstroom.

Alle stroomvoerende onderdelen zitten in de vaste buitenring, terwijl de impeller alleen passieve componenten bevat: weekijzer voor de lagers en permanente neodymium-magneten voor de generator. De rest van de constructie zal worden uitgevoerd in vezelversterkte kunsthars.

Het gepatenteerde concept van magnetische lagering en stroomopwekking aan de buitenrand van een impeller is wellicht ook toepasbaar bij grote windturbines, denkt Versluis. Dat zou het probleem ondervangen van de enorme krachten op de vaste rotatie-as in het midden, die zware constructies en lagering nodig maken. Dat is nog maar speculatie; maar een prototype van de HydroRing op ware grootte moet over ongeveer een half jaar klaar zijn voor uitgebreide praktijktesten. Als die goed verlopen, hoopt men de waterturbines al over een jaar in serie te gaan produceren. Op den duur, verwacht Versluis, zou de prijs kunnen dalen tot ongeveer 50.000 euro per stuk.